管道输沙阻力损失规律的多相流数值模拟研究

发布时间：2019-09-12 14:53

【摘要】：阻力损失规律与管道的输沙特性密切相关。本文采用多相流混合模型,利用小浪底水库现场管道抽沙试验的管道参数,研究其管道阻力随含沙量及流速的变化规律,并将模拟结果与费祥俊、Durand、陈广文阻力模型计算结果进行了对比。研究表明:(1)在各种流速条件下,压降均随着含沙量的增大而增大;同一含沙量时,压降随流速增长呈指数型增长,表明就单位重量而言,同样速度下的不同浓度混合水沙体的阻力损失规律基本相同。(2)除了在高含沙量、低流速时模拟结果偏离Durand阻力公式较大以外,其他各种情况下,数值模拟结果与陈广文、费祥俊以及Durand阻力计算公式的结果均十分吻合。(3)当流速很小时(v=1m/s),模拟结果出现了进出口输沙率不守恒的现象,进一步可通过综合考虑实际情况以及采用模拟中的输沙率差法分析判断管道不淤流速。
【图文】：

阻力损失,模型计算值,压降,流速

表明就单位重量水体而言，不管含沙量多少，阻力损失基本上是相等的。进一步分析其原因可知，随着含沙量的增加，管道含沙水流可认为是粘性逐渐增大的流体，此时虽然雷诺数在不断增加，但由于含沙水流均处于完全粗糙区（阻力平方区），而在这一区域的沿程阻力系数λ只与相对粗糙度有关，与雷诺数的大小无关，，因此，当我们以坡降计时，不同流速下含沙水流的阻力损失随含沙量的变化规律基本一致。将数值模拟计算结果与Ｄｕｒａｎｄ阻力模型、陈广文阻力模型以及费祥俊阻力模型进行比较，分别按压降与坡降计，如图２与图３所示。图２不同流速条件下阻力损失模拟值（压降）与各模型计算值的对比Ｆｉｇ．２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓ（ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐ）ａｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｖａｌｕｅｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ３１李珊珊，等：管道输沙阻力损失规律的多相流数值模拟研究

阻力损失,坡降,模型计算值,流速

图３不同流速条件下阻力损失模拟值（坡降）与各模型计算值的对比Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓ（ｇｒａｄｉｅｎｔ）ａｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｖａｌｕｅｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ由图可以看出，在各不同流速下，模拟得到的阻力损失随含沙量的变化规律与各阻力模型计算得到的规律基本一致。在流速较大（ｖ≥２ｍ／ｓ）时，模拟值与各阻力模型计算值吻合良好，而在流速较小（ｖ≤２ｍ／ｓ）时，模拟值与陈广文阻力模型和费祥俊阻力模型吻合良好，而与Ｄｕｒａｎｄ阻力模型相差较大，且其差别随含沙量的增大而增大，说明此时该模型已不适用。２．３不同含沙量条件下，流速－阻力损失规律图４给出了不同含沙量下，阻力随流速变化的规律。图４（ａ）的阻力是按坡降计的，各曲线几乎重叠到了一起，再次表明就单位重量水体而言，阻力损失基本上是相等的，与含沙量多少没有关系，同时也验证了数值模拟结果与理论分析结果吻合良好，说明了采用多相流混合模型以及标准ｋ－ε湍流模型实现管道含沙水流三维流场模拟的可行性。图４（ｂ）的阻力是以压降计算的，可以看出，在同一含沙量下，随着流速增大，压降近似按二次曲线增加，当然，含沙量大压降也大，这与前一节的分析是一致的。图５按不同含沙量分别给出了模拟得到的管道阻力损失随流速的变化规律与各阻力模型计算结果的对比情况。由图可以看出，陈广文阻力模型和费祥俊阻力模型在各种流速工况下与模拟结果均吻合良好。而对于Ｄｕｒａｎｄ阻力模型，在含沙量较小时（Ｃｖ＝３．７４％），模拟值与该阻
【作者单位】：西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51579206) 水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201301063) 陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2015JM5201)
【分类号】：TV14

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