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摘要：用當(dāng)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(jìn)行了冰-水兩相流的輸送實(shí)驗(yàn)，主要對(duì)伴有懸浮床的冰-水兩相流動(dòng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用比重與冰相近的聚苯乙烯顆粒-水兩相流。研究成效講明，冰顆粒之間的粘性作用是引發(fā)冰-水兩相流壓降變化和非牛頓流體特征顯示的重要身分，而且針對(duì)伴有懸浮床的冰-水兩相流的非牛頓流體特征，提出了計(jì)較其輸送壓降的新方式。

關(guān)頭詞：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夾雜流體，具有溫度為0℃，固相的比重接近于1等特點(diǎn)，類似的還有雪-水夾雜流體等。有關(guān)冰-水流動(dòng)和雪-水流動(dòng)的研究，在國外如日本、加拿年夜等國家的學(xué)者在80年月末90年月初，已注重并起頭對(duì)這類問題進(jìn)行研究。今朝，在國內(nèi)對(duì)冰-水流動(dòng)和雪-水流動(dòng)的研究陳述還很少。然而，近年冰、雪引發(fā)的問題也逐漸在我國顯露出來。例如，早春的冰川、冰河開河時(shí)發(fā)生冰凌流的冰堆有阻塞河流、渠道的危險(xiǎn)，而且直接威脅到河流上面架設(shè)的橋梁平安等的消息時(shí)有報(bào)道。又如，針對(duì)城市交通、高速公路等在冬季進(jìn)行年夜面積、快速斷根冰、雪，都觸及到冰-水和雪-水流動(dòng)的問題。

　　冰-水流動(dòng)屬于非沉降性固液兩相流，若是不存在冰顆粒之間的粘結(jié)現(xiàn)象，冰-水夾雜流體的管路輸送工程應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定和平安的。斟酌到冰-水工程中冰顆粒之間的粘結(jié)現(xiàn)象，所以冰-水兩相流應(yīng)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(duì)冰-水流體粘度丈量成效看，丈量數(shù)據(jù)散布顯現(xiàn)無紀(jì)律的變化，這在一定意義上也顯露出冰-水工程粘性變化的復(fù)雜性。憑據(jù)以往的研究陳述[2]，冰-水流體輸送管路在較高流速范圍內(nèi)流動(dòng)比力穩(wěn)定；可是，對(duì)于低流速范圍內(nèi)輸送管路的壓降和穩(wěn)定性若何，研究很少。斟酌到河流、渠道的冰凌流，或是冰水流體潛熱的哄騙[3]工程管內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)，有需要研究低流速流動(dòng)的冰-水兩相流動(dòng)特征。

　　是以，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-水兩相流的比力研究方式，對(duì)伴有懸浮床的冰-水兩相流動(dòng)特征和輸送壓降進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究。

　　

　　

　　2實(shí)驗(yàn)裝配

　　實(shí)驗(yàn)使用的裝配略圖，如圖1所示，由夾雜槽、顆粒泵、電磁流量計(jì)、測(cè)試管等流動(dòng)參數(shù)丈量裝備組成。測(cè)試管是內(nèi)徑為49.7mm，長(zhǎng)度為12m的透明管；并能使用高速攝像機(jī)進(jìn)行攝像，以便具體觀察冰顆粒的運(yùn)動(dòng)特征。觀察窗是套在圓管外并布滿清水的四棱柱面體，以避免光線經(jīng)由過程透明圓管曲面時(shí)發(fā)生折射影響拍攝圖像。另外，夾雜槽內(nèi)設(shè)置有一定年夜小網(wǎng)格的網(wǎng)槽，使輪回管路的吸進(jìn)口放置其中，其作用是避免被破碎后的小顆粒冰塊再吸進(jìn)管路內(nèi)，以保證測(cè)試管內(nèi)流動(dòng)冰顆粒的粒度不變。

　　實(shí)驗(yàn)中，壓降的丈量采用了應(yīng)變儀型差壓傳感器，流速、壓力變化和壓差等數(shù)據(jù)使用計(jì)較機(jī)進(jìn)行收集。為了便于仔細(xì)觀察冰-水兩相流動(dòng)狀態(tài)，使用了高速攝像工程（nachsv-400），該工程的幀速度為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，始終連結(jié)夾雜槽內(nèi)有冰積壓。

　　實(shí)驗(yàn)中使用的冰顆粒等體積當(dāng)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界說，即

　　

　　

　　式中qi和qw劃分是冰和水的流量，g是單元時(shí)間t內(nèi)的夾雜流體的重量，a是管面積，vm是流體平均速度。

4　結(jié)論

　　經(jīng)由過程對(duì)水平管內(nèi)伴有懸浮床的冰-水兩相流流動(dòng)特征和輸送壓降的研究，獲得以下結(jié)論。

　　(1)經(jīng)由過程與聚苯乙烯-水兩相流的比力研究發(fā)現(xiàn)，在低流速范圍冰-水兩相流具有非牛頓流體特征。

　　(2)提出了具有非牛頓流體特征的冰-水兩相流壓降計(jì)較的新方式；其計(jì)較值與實(shí)驗(yàn)值比力成效說明，基于斟酌冰-水工程中冰顆粒之間的粘結(jié)性，所建立起來的計(jì)較方式能夠估算伴有懸浮床的冰-水兩相流的輸送壓降。

　　參考文獻(xiàn)

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　3實(shí)驗(yàn)成效及其分析

　　3.1冰-水兩相流動(dòng)狀態(tài)的觀察

　　實(shí)驗(yàn)中對(duì)于冰-水流動(dòng)狀態(tài)的觀察，采用高速攝像和肉眼觀察兩種方式。圖2是實(shí)驗(yàn)中的肉眼觀察和錄像的觀察成效獲得的示意圖。如圖所示，輸送速度從高到低逐漸削減時(shí)，管內(nèi)冰-水流動(dòng)狀態(tài)的變化樣式可以依次劃分為(a)、(b)和(c)所示的三種流動(dòng)狀態(tài)。其中，圖2(a)是從冰顆粒在管內(nèi)顯現(xiàn)似平均散布狀態(tài)，圖2(b)是管頂部有冰顆粒懸浮層的同時(shí)，冰顆粒層下有部門顆粒跳躍移動(dòng)，圖2(c)是管內(nèi)冰顆�；�本上全數(shù)集中在管上部形成懸浮床。圖3是與圖2(b)所示的流動(dòng)狀態(tài)相似的實(shí)拍圖像的黑白打印成效。對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(dòng)狀態(tài)實(shí)拍的圖像的黑白打印成效。圖4也是與圖2(b)所示的流動(dòng)狀態(tài)相似。

　　

　　

　　實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)流速小于1.1m/s的流速范圍時(shí)起頭觀察到管內(nèi)流動(dòng)樣式從圖2(b)到圖2(c)的變化進(jìn)程，作者把這類低流速范圍內(nèi)的流動(dòng)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-水兩相流的壓降比力

　　圖5是冰-水兩相流和聚苯乙烯-水兩相流的實(shí)驗(yàn)成效進(jìn)行對(duì)比的平均流速與壓降關(guān)系，(圖中的圓形符號(hào)暗示了濃度為0.245的冰-水兩相流的平均流速與壓降關(guān)系的實(shí)驗(yàn)值；圖中的方形符號(hào)暗示了濃度為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(guān)系的實(shí)驗(yàn)值；圖中的實(shí)線是清水的平均流速與壓力損失關(guān)系的計(jì)較值)。從兩種比重相近且顯現(xiàn)不異流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)成效看，在流速為0.82m/s左右時(shí)，冰-水兩相流的壓降，隨著流速的削減有增年夜的趨向；與此相對(duì)的聚苯乙烯-水兩相流的壓降照舊連結(jié)削減的趨向不變。其緣由是流速小于1.1m/s范圍的冰-水兩相流的流動(dòng)應(yīng)為伴有懸浮床流動(dòng)狀態(tài)。所以管內(nèi)輸送的壓降，主要來歷于懸浮層內(nèi)冰水流體流動(dòng)克服冰塊之間的粘結(jié)力所發(fā)生的壓降。圖6是冰-水兩相流在分歧濃度下的平均流速與壓降的關(guān)系，與圖5所示的成效基底細(xì)同。

　　

　　

　　3.3伴有懸浮床的冰-水流動(dòng)的非牛頓性顯示

　　圖7是濃度為0.15的冰-水兩相流和聚苯乙烯-水兩相流的壁面剪切應(yīng)力τw與平均流速8v/d的關(guān)系比力圖。圖中實(shí)線暗示牛頓流體水的計(jì)較值，圓形符號(hào)是冰-水兩相流的實(shí)驗(yàn)值，三角符號(hào)是聚苯乙烯-水兩相流的實(shí)驗(yàn)值；其中，聚苯乙烯顆粒的粒徑為3.21mm。如圖7所示，以實(shí)線所暗示的牛頓流體為參照，在流速范圍內(nèi)，冰-水兩相流較著具有非牛頓流體的流動(dòng)特征。

　　

　　

　　3.4具有非牛頓流體特征的冰-水兩相流壓降計(jì)較

　　關(guān)于冰-水兩相流的壓降計(jì)較，已有若干文獻(xiàn)[2,4]陳述。對(duì)于伴有懸浮床的冰-水兩相流，壓降隨著流速減小，而增加的問題始終沒有解決。

　　作者計(jì)較冰-水兩相流的壓降方式以下。假設(shè)冰-水兩相流中冰顆粒不僅具有一般固體顆粒的所有物性，而且在冰顆粒與冰顆粒、冰顆粒與流體之間有較著的粘結(jié)力；而且，該粘結(jié)力形成的剪切力與一般固體顆粒流動(dòng)時(shí)發(fā)生的磨擦力相當(dāng)。為了敘述利便，這里把具有非牛頓特征的流體，稱為輸運(yùn)流體。是以，從層流到湍流的范圍內(nèi),冰-水兩相流的壓降采用益山等人[6]提出的輸運(yùn)流體為非牛頓流體的固液兩相流的壓降公式進(jìn)行計(jì)較。

　　

　　

　　式中△piw和△pf劃分暗示冰-水兩相流和輸運(yùn)流體的壓降，ρiω和ρf劃分暗示冰-λf水兩相流和輸運(yùn)流體的密度，λf暗示冰-水流體的管磨擦系數(shù)，vm、d和g劃分暗示平均流速、管直徑和重力加速度。

　　輸運(yùn)流體的壓降，采用賓漢流體的計(jì)較公式(6)。（3）式中的ζe是運(yùn)動(dòng)量抵償系數(shù),由（4）式計(jì)較，式中，α是比栓半徑。

　　

　　

　　管磨擦系數(shù)在層流和湍流的分歧范圍,按分歧的公式進(jìn)行計(jì)較。當(dāng)流體的雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)相比，小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，用層流范圍的管內(nèi)磨擦系數(shù)公式；年夜于臨界雷諾數(shù)時(shí)，用湍流范圍的管內(nèi)磨擦系數(shù)公式。首先，臨界雷諾數(shù)rec由（5）式計(jì)較。（6）式中，ac和he劃分為臨界比栓半徑和赫得斯托羅姆(headstrom)數(shù)，它們劃分由（6）和（7）式計(jì)較。(7)式中的τy為流體的屈就應(yīng)力。冰水流體夾雜表觀粘度μ*f，由krieger公式（8）界說，μ是與顆粒硬度和外形有

　　

　　

　　非牛頓流體的管磨擦系數(shù)，在層流范圍由（9）式計(jì)較；在湍流范圍由實(shí)驗(yàn)式（10）式計(jì)較。

　　

　　

　　式中，re為夾雜流體的雷諾數(shù)，由（11）式計(jì)較，（12）式中的φ(α)和α是比栓半徑α的函數(shù)，由（12）式和（13）式計(jì)較，（13）式中的比栓半徑α由（14）式計(jì)較，（14）式中的τω為壁面剪應(yīng)力,由（15）式計(jì)較。

　　

　　

　　圖8是經(jīng)由過程上述具有非牛頓流體特征的冰-水兩相流壓降計(jì)較方式，計(jì)較獲得的計(jì)較值和實(shí)驗(yàn)值比力一致；與清水的壓降相比力，在流速以1.7m/s為區(qū)分點(diǎn)，當(dāng)流速年夜于1.7m/s的流速范圍，冰-水兩相流的壓降起頭低于清水的壓降，這是由于冰顆粒的存在抑制了流體的湍流強(qiáng)度而至；由于引進(jìn)的冰水流體夾雜表觀粘度，夾雜流體的磨擦系數(shù)的值比清水的高。

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