[发明专利]一种长距离泥浆管道输送动态模型及应用

说明书

本发明公开一种长距离泥浆管道输送动态模型及应用。水力输送是疏浚工程中泥沙输送的主要形式。目前，泥泵与管道系统的匹配多是基于其性能特性的准静态匹配，不考虑实际输送过程中工作参数的波动性以及疏浚物重分布对整体系统性能特性的影响，这对于长距离高浓度输送工况来说，可能存在一定的问题。为此，本发明以某一施工现场某绞吸挖泥船输送过程为依托，测量了大量现场试验数据，建立起了一套完整的动态输送理论模型，并进行验证。

技术领域

本发明属于水力输送领域，应用于疏浚工程。

背景技术

疏浚工程中，泥沙输送的主要形式是水力输送，尤其是固液混合多相流的长距离管道输送，并经常使用多泵系统。管道输送对疏浚施工效率和施工成本有很大影响，其在于管道输送过程中会产生很大的能耗，例如在绞吸式挖泥船施工中，管道输送能耗占总能耗的80％以上。浆体流速增加会导致摩阻增加，能耗增大。过快的浆体流速会导致能量浪费；而浆体流速过慢则会导致泥沙在管道内淤积，引发堵管、爆管等一系列问题。实现高效、稳定、安全的水力输送是一直以来追求的目标。

当前，泥泵-管道输送系统性能特性的研究更多地呈现一种准静态的特点，即泥泵性能特性及管道输送特性的研究多是独立开展的。泥泵与管道系统的匹配也多是基于其性能特性的准静态匹配，未考虑实际输送过程中工作参数的波动性以及疏浚物在管道内的重分布对于整体系统性能特性的影响。在输送参数波动较小、输送流速大于临界流速工况下该方式是可行的，但对于长距离高浓度输送和浓度波动大的工况，可能存在一定的问题。熊庭(2015)建立了一种准静态管道输送模型，其无法模拟整个管道内浆体的状态，也无法反应出浆体的动力特性。

可见，研究者目前所建立的理论模型还不够完善，无法较好地研究整个管道内浆体输送的动态特性。

发明内容

本申请目的之一，提出一套输送动态理论模型，即对本领域披露了对整个长距离管道内浆体输送的动态特性研究成果，得到了实际输送过程中各工作参数的波动性以及疏浚物重分布对整体系统性能特性的影响规律。

进一步的本申请目的之二，提出上述动态理论模型在本领域疏浚工程中的应用。由于所述理论模型可近似模拟长距离管道内固-液两相流宏观动态输送过程，在绞吸挖泥船吹岸和耙吸挖泥船艏吹的长距离泵-管道水力输送系统中可实时计算关键的流体物理量，从而预测管路系统输送运行的安全性。

为此，本发明保护技术方案：

一种基于长距离泥浆管道输送动态理论模型，其特征在于，所述理论模型，包括输送浆体管路摩阻I_m，公式如下：

式中，

I_m为输送浆体摩阻损失(mH₂O/m)；α为与浆体相对粘滞系数有关的修正系数；V_ss为泥沙颗粒沉速；

λ为输送清水时的管道沿程阻力系数；V为输送流速(m/s)；g为重力加速度(m/s²)；D为管道内径(m)；γ_m为浆体的容重(t/m³)；γ_w为输送载液的容重(t/m³)；γ_s为固体的容重(t/m³)；K_m为试验系数，经实测数据率定，取值为1120；μ_s为摩擦系数，一般取0.44；C_vd为浆体中固体颗粒体积浓度；

Re是雷诺数(无量纲数)；Δ为管壁当量粗糙度；

V_c为临界流速(m/s)，选用了规范公式(JTS 181-5-2012)该公式在本领域已为现有技术，所以各个参数省略了注解：