水利工程論文-水平管內伴有懸浮床的冰-水兩相流動特性摘要：用當量直徑為12mm的碎冰，管徑為49.7mm的水平管路在低流速范圍進行了冰-水兩相流的輸送實驗，主要對伴有懸浮床的冰-水兩相流動特性進行了實驗和理論研究。對比實驗采用比重與冰相近的聚苯乙烯顆粒-水兩相流。研究結果表明，冰顆粒之間的粘性作用是引起冰-水兩相流壓降變化和非牛頓流體特性顯示的重要因素，而且針對伴有懸浮床的冰-水兩相流的非牛頓流體特性，提出了計算其輸送壓降的新方法。關鍵詞：冰-水兩相流非牛頓流體壓降懸浮床1引言冰-水兩相流是冰和水的混合流體，具有溫度為0，固相的比重接近于1等特點，類似的還有雪-水混合流體等。有關冰-水流動和雪-水流動的研究，在國外如日本、加拿大等國家的學者在80年代末90年代初，已注意并開始對這類問題進行研究。目前，在國內對冰-水流動和雪-水流動的研究報告還很少。然而，近年冰、雪引起的問題也逐漸在我國顯露出來。例如，初春的冰川、冰河開河時發生冰凌流的冰堆有阻塞河流、渠道的危險，并且直接威脅到河流上面架設的橋梁安全等的消息時有報道。又如，針對城市交通、高速公路等在冬季進行大面積、快速清除冰、雪，都涉及到冰-水和雪-水流動的問題。冰-水流動屬于非沉降性固液兩相流，如果不存在冰顆粒之間的粘結現象，冰-水混合流體的管路輸送系統應該是穩定和安全的。考慮到冰-水體系中冰顆粒之間的粘結現象，所以冰-水兩相流應稱為含有粘性顆粒的非沉降性固液兩相流。從高橋弘等人1對冰-水流體粘度測量結果看，測量數據分布呈現無規律的變化，這在一定意義上也顯露出冰-水體系粘性變化的復雜性。根據以往的研究報告2，冰-水流體輸送管路在較高流速范圍內流動比較穩定；但是，對于低流速范圍內輸送管路的壓降和穩定性如何，研究很少。考慮到河道、渠道的冰凌流，或者是冰水流體潛熱的利用3系統管內的流動特點，有必要研究低流速流動的冰-水兩相流動特性。因此，作者使用粒徑為12mm的碎冰，管徑為49.7mm水平管路，用冰-水兩相流與聚苯乙烯-水兩相流的比較研究方法，對伴有懸浮床的冰-水兩相流動特性以及輸送壓降進行實驗和理論研究。2實驗裝置實驗使用的裝置略圖，如圖1所示，由混合槽、顆粒泵、電磁流量計、測試管等流動參數測量設備組成。測試管是內徑為49.7mm，長度為12m的透明管；并能使用高速攝像機進行攝像，以便詳細觀察冰顆粒的運動特性。觀察窗是套在圓管外并充滿清水的四棱柱面體，以防止光線通過透明圓管曲面時發生折射影響拍攝圖像。另外，混合槽內設置有一定大小網格的網槽，使循環管路的吸入口放置其中，其作用是避免被破碎后的小顆粒冰塊再吸入管路內，以保證測試管內流動冰顆粒的粒度不變。實驗中，壓降的測量采用了應變儀型差壓傳感器，流速、壓力變化和壓差等數據使用計算機進行采集。為了便于仔細觀察冰-水兩相流動狀態，使用了高速攝像系統（NACHSV-400），該系統的幀速率為200FPS（1/200秒），示蹤顆粒采用3%左右的紅色冰顆粒。另外，為了使冰-水流的溫度在0不變，始終保持混合槽內有冰積存。實驗中使用的冰顆粒等體積當量直徑是12mm，冰的比重是0.917，冰-水兩相流的輸送濃度由下式定義，即式中Qi和Qw分別是冰和水的流量，G是單位時間T內的混合流體的重量，A是管面積，Vm是流體平均速度。3實驗結果及其分析3.1冰-水兩相流動狀態的觀察實驗中對于冰-水流動狀態的觀察，采用高速攝像和肉眼觀察兩種方法。圖2是實驗中的肉眼觀察和錄像的觀察結果獲得的示意圖。如圖所示，輸送速度從高到低逐漸減少時，管內冰-水流動狀態的變化樣式可以依次劃分為(a)、(b)和(c)所示的三種流動狀態。其中，圖2(a)是從冰顆粒在管內呈現似均勻分布狀態，圖2(b)是管頂部有冰顆粒懸浮層的同時，冰顆粒層下有部分顆粒跳躍移動，圖2(c)是管內冰顆粒基本上全部集中在管上部形成懸浮床。圖3是與圖2(b)所示的流動狀態相似的實拍圖像的黑白打印結果。對比實驗使用了比重為0.86的聚苯乙烯-水兩相流體。圖4是聚苯乙烯-水流動狀態實拍的圖像的黑白打印結果。圖4也是與圖2(b)所示的流動狀態相似。實驗中，當流速小于1.1m/s的流速范圍時開始觀察到管內流動樣式從圖2(b)到圖2(c)的變化過程，作者把這種低流速范圍內的流動樣式稱為伴有懸浮床的冰-水兩相流。3.2冰-水兩相流與聚苯乙烯-水兩相流的壓降比較圖5是冰-水兩相流和聚苯乙烯-水兩相流的實驗結果進行對比的平均流速與壓降關系，(圖中的圓形符號表示了濃度為0.245的冰-水兩相流的平均流速與壓降關系的實驗值；圖中的方形符號表示了濃度為0.25，比重為0.86，顆粒粒徑為3.21mm的聚苯乙烯-水兩相流平均流速與壓降關系的實驗值；圖中的實線是清水的平均流速與壓力損失關系的計算值)。從兩種比重相近且呈現相同流動狀態的實驗結果看，在流速為0.82m/s左右時，冰-水兩相流的壓降，隨著流速的減少有增大的趨勢；與此相對的聚苯乙烯-水兩相流的壓降依舊保持減少的趨勢不變。其原因是流速小于1.1