韦新东，纪 宁，陆 海
（吉林建筑工程学院，长春 130001）
摘要：管道输送在实际工程中具有重要的实用意义，而阻力损失是影响管道输送的一个最重要的因素。探讨了阻力损失的产生机理、介绍了阻力损失基本理论以及目前常见的阻力损失计算模型，为进一步研究浆体管道输送提供了参考。
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关键词 ：管道输送；阻力损失；计算模型
中图分类号：U171 文献标识码：A 文章编号：１００８－９５００（２０15）07－００3５－０４
收稿日期：２０15－０5－0１
作者简介：韦新东（１９６6－），男，辽宁凌源人，教授，博士，研究方向：流体输送及城市环境。
管道水力输送因其效率高、成本低、安全可靠、污染小等优点，已经被广泛应用于煤炭、化工、环保等领域［1-4］。但管道输送过程复杂，且受许多因素的影响，研究起来十分繁琐，而建立一个合适的阻力损失模型对于实际工程设计至关重要［5-7］。
1管道输送阻力损失的产生机理
１．1摩擦阻力损失
摩擦阻力损失指浆体流动过程中与管道内壁摩擦消耗的能量。摩擦阻力损失的影响因素主要有颗粒粒径、颗粒密度、颗粒形状、颗粒级配、浆体浓度、浆体黏度、浆体温度、浆体流速、管道粗糙度、管道管径、管道倾角等。这些因素在实际运输过程中是复杂、多变的，也是相互影响的，要综合考虑研究十分困难。因此在实验研究中往往着重其中几个因素，研究摩擦阻力损失的变化规律，得出相应的计算公式。
１．2颗粒碰撞阻力损失
在实际管道输送过程中存在着颗粒的相互碰撞。但在计算浆体管道输送阻力损失时一般考虑该影响因素不多，因为颗粒碰撞属于微观现象，研究起来更加复杂和困难。在输送过程中，一些颗粒会粘结在一起形成质团，而质团的碰撞又会使质团自身分解成小的颗粒，有利于管道输送。很多学者认为，颗粒碰撞的阻力损失本质是颗粒间发生非弹性碰撞，将动能转化为热能消耗掉。
１．3颗粒沉降阻力损失
固体颗粒在载体中具有沉降性。为克服颗粒的沉降，维持颗粒悬浮所消耗的能量即为颗粒沉降阻力损失。在管道输送过程中，颗粒的形状、级配、浆体的浓度，流动速度都影响着颗粒沉降阻力的损失。
2管道输送阻力损失的基本理论
阻力损失是管道水力输送中重要的指标参数，它直接关系到整体运行的能耗以及经济效益。但目前还没有一个比较完整的理论，现有理论都是在特定条件下得出来的，主要有扩散理论、重力理论、能量理论等。
２．1扩散理论
扩散理论最早由前苏联学者B.M马卡维耶夫运用到两相流领域而提出。扩散理论认为，固体颗粒和流体质点一样在流动中发生扩散，但不会互相作用，因此可将固体颗粒和水视为密度相同的单一流体。其阻力损失的基本形式为：
Jm=J0 ρmρ（1）
式中：Jm——浆体管道阻力损失；
J0——清水管道阻力损失；
ρm——浆体密度；
ρ——清水密度。
扩散理论将复杂的问题简单化，完全忽略了固体颗粒和流体质点扩散的不同以及两者的相互作用。而在实际流动中，固体颗粒所受到的重力作用是不等值的，浓度越高，粒径越大，作用越明显。因此，扩散理论更加适用于粒度小，浓度低的浆体。
2.2重力理论
前苏联学者M.A维利卡诺夫提出的重力理论考虑到了固体颗粒的重力以及固体颗粒与液体的相互作用，认为两相流所需的能耗比纯液体的能耗要多。
其阻力损失的基本形式为：
Jm=J0+ΔJ0（2）
重力理论只单一地考虑到了固体颗粒在浆体中悬浮所需要的能量，忽略了运动过程中所需要的能量以及浆体因固体颗粒而改变的力学性质，故只适用于粗颗粒的浆体。
2.3能量理论
因扩散理论和重力理论都有自身的缺点和不全面性，不能够很好地反映出浆体在管道中输送的具体性质，于是前苏联煤矿科学研究院将两者结合，提出了能量理论。
其阻力损失的基本形式为：
Jm=J0ρmρ+ΔJ0（3）
能量理论克服扩散理论和重力理论各自的缺点，将两者相结合，较全面地考虑了浆体在管道输送过程中的阻力损失，但仍需要改进、完善。
3管道输送阻力损失的计算模型
浆体在管道输送过程中阻力损失的过程是复杂的，内在机理以及外在的相互作用对整个输送过程均具有影响。现有的理论分析没能完整的揭示阻力损失的全部过程，只能简化、局部的展现流动过程，且对浆体的流动描述也是勉强、不客观的。基于现有理论整理出的阻力损失公式只能是经验或半经验的，不能将浆体的宏观运动以及固体颗粒的微观运动完整的表述出来，同时这些经验或半经验公式约束条件较多，参数差异较大。
3.1Durand阻力损失计算模型［8］
Durand阻力损失计算模型基于重力理论。重力理论考虑了固体颗粒悬浮所需能量，认为两相流所需能量比纯液体所需能量要大。国外疏浚工程界较多的用Durand模型来计算阻力损失。
计算模式为：
Jm=J0+KCv（gDV）3（ωgd50）1.5J0
=λv22gD+180Cv（gDV）3（ωgd50）1.5J0（4）
式中：Jm——两相流阻力损失；
J0——清水阻力损失；
Js——附加阻力损失；
K——系数，在此模型中取为180；
Cv——浆体体积浓度；
D——管道直径；
V——浆体流速；
ω——颗粒沉降速度；
d50——颗粒中值粒径；
λ——清水管道沿程阻力系数（可按λ=124.5 n
23 d计算，其中n为管道粗糙系数）。
3.2Wasp阻力损失计算模型［9］
此计算模型依据重力理论，将浆体分为载体和被输送床底两部分。
阻力计算方程为：
式中：Ja——载体部分阻力；
Jb——被输送部分阻力损失；
V——浆体平均流速；
f——范宁摩阻系数，f=λ4=0.0275（ΔD+68
Re）0.25，其中ΔD为管壁相对粗糙
度；Re雷诺数，Re=ρmDVμ；
γ——浆体比重；
D——管道直径；
ρs——固体颗粒密度；
ρ——清水密度；
J0——清水阻力损失，J0=2fV2gD；
?渍b——非均质颗粒体积浓度百分数，?渍b=
Cp1-CVTCVA×100。
当CVTCVA≥0.8时，浆体是均质的；当CVTCVA≤0.1时浆体是非均质的。例如CVTCVA=0.6时，表示浆体中有60%固体颗粒均匀运动，剩下40%固体颗粒沿床底运动。对如何划分载体和被输送底床，Wasp提出了接近实际划分比例的计算公式：
lgCVTCVA=-1.8 ωβku*（6）
式中：CVT——水平管管顶处体积浓度；
CVA——水平管管心处体积浓度；
ωβku——悬浮指数；
k——卡门系数；
u*——摩阻流速，u*=Vf2；
ω——颗粒自由沉速。
3.3陈广文阻力损失计算模型［10］
陈广文着眼于宏观和微观两个方面，将浆体在管道中的阻力损失归为３种形式：摩擦阻力损失；颗粒沉降阻力损失；碰撞阻力损失［11］。
所以总的阻力损失即为：
Jm=Jf+Js+Jc
=λV22 gD+ζCνρSρ-1ωV+KCνd50VD21
（1-CνCνm）2.5Cν（7）
式中：ζ——沉降速度的形状修正系数（球形取
1.0，椭圆取0.85，多角形取0.75，长
方形取0.65，扁平形取0.50）；
K——比例系数，常取K≈1；
Cνm——极限体积浓度，取值范围62%~
70%。
3.4王绍周阻力损失计算模型［12］
王绍周从浆体中的颗粒入手，将固体颗粒的能耗分为悬浮能耗、旋转能耗和悬移能耗等3种。
３．４．１悬浮能耗
为了使固体颗粒在浆体中保持悬浮所消耗的能量即为悬浮能耗。
计算公式为：
J1=Cν（ρS-ρρm）ωV（8）
３．４．２旋转能耗
固体颗粒由于形状不规则、受力不均匀产生旋转。王绍周将旋转能耗换算为单位管长多增加的阻力损失。
通过实测数据的回归得到公式为：
J2=0.86-6.85ωVCνρs-ρρmωV（9）
式中：ω——沉降速度。
3.4.3悬移能耗
固体颗粒在水平悬移运动时消耗的能耗即为悬移能耗。浆体比重越大，悬移能耗越多。但只在计算阻力损失时给予考虑即可，无需单独计算。
所以总阻力损失计算模型为：
Jm=αλDV22g+1.86-6.85ωVCνρs-ρρmωV（10）
式中：α——减阻系数，α=1-0.4logμr+0.2（logμr）2，
当α>1时，表示不减阻，取α=1；
当1.86-6.85ωV<1时，ω较大，颗粒很粗，不旋转，ω取1；
当1.86-6.85ωV≈1.86时，ω较大，颗粒很细，ω取值范围是1~1.86。
3.4.4费祥俊阻力损失计算模型［9］
费祥俊将阻力损失分为载体部分阻力损失和底床部分阻力损失两种。
由力的平衡方程推导出总的阻力损失公式为：
J=J1+Js=αf0ν22gDγmγ+11μsCνγs-γmγων（11）
式中：J1——载体部分阻力损失；
Js——底床部分阻力损失；
α——修正系数，α=1-0.41lgμr+0.2（lgμr）2，
（位浆体的相对粘滞系数）；
f0——清水阻力系数；
μs——摩擦系数；
ω——平均沉速；
γm——载体重度；
γs——固体重度；
γ——浆体重度。
3.4.5杜利安（Turian）阻力损失计算模型［13］
杜利安依据其他学者对沙、镍、玻璃、木材、煤等做的输送实验的实验数据加以整理，推导出的阻力损失据算公式为：
J=0.5513Cυ0.8687λ01.2CD-1.677［ν2gD（S-1）］
-0.3531ν22gD（12）
式中：λ0——清水阻力系数，λ0=1（1.14+2 lgDε）2；
ε——管壁绝对粗糙度。
3.4.7浓浆输送阻力计算模型［14］
解海卫采用量纲分析法通过粉煤灰颗粒在管道内流动实验建立模型。
其表达式为：
Jm=λmν22gD（13）
式中：λm——阻力系数，λm=0.155166041Fr-
0.096704163S-0.4894661747Cν0.917680989
S——粉煤灰密度ρs和清水密度ρ的比值。
3.4.8鞍山设计院公式［6］
基于扩散理论我国鞍山矿山设计院提出了经验公式。
其计算模式为：
Jm=KJ0ρmρ（14）
当固体质量分数Cw=0.1~0.3时，K=1；当Cw=0.3~0.6时，K=（1.464-0.454）ρmρ。
３．４．9其它［15］
《火力发电厂除灰设计技术规定》推荐的电厂灰渣阻力计算公式为：
J=1+ξλmν22gD+RmΔHL（15）
式中：ξ——局部阻力系数；
L——管道长度（m）；
ΔH——排灰设备中心与灰场管出口中心
柱差；
λm——灰浆阻力系数λm=Rmλ0+λfj，其中λfj为灰渣的附加阻力系数，当ds>
0.25 mm时考虑，当ds<0.25 mm时，取0。
4结语
管道水力输送虽已经广泛应用于实际工程中，但其研究还处于发展阶段，阻力产生的机理、实验过程中阻力的具体消耗、阻力计算模型的建立以及减阻措施的研究还有待进一步探讨。
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