·520· 北京科技大学学报 1999年第6期 以存在着紊流的脉动现象.紊流流场中，任一点 的流体速度“可认为是时均点速度a与脉动速 度之和. u=u+u (5) 对任一点的脉动速度，其在一段时间内 的平均值等于零，即： u'dr=0 (6) 图1垂直管道中颗粒的环流间隙流速分布 紊流的强度用下式： w-√受 (7) 式中，t为脉动速度平方的时间平均值. 横向紊流脉动速度产生的紊动力使颗粒向 管壁运动，而纵向脉动速度会影响颗粒尾流区 的长度和宽度，使脉动强度加大：又由于管中紊 流区流速的分布，在管壁附近流体速度v降低， 而其紊流强度却要增大60%.当以上2种现象 0 0.20.40.60.81.0 颗粒-管道直径比，dD 叠加起来，脉动强度增加到一定值时，则会使颗 粒的尾流区逐渐缩小以至消失，使颗粒的层流 图2垂直管道中钢球的沉降末速度 附面层内的流体质点发生剧烈的混杂运动，转 V.o v=1-(dD亦 (3) 换为紊流附面层，引起阻力系数C急剧下降， 试验表明，锰结核的Re在10'4×10之间， 图3给出了TU,Ca及颗粒Re的关系.当混 管道输送时，颗粒表面形成的是层流附面层.当 合液中紊流强度TU不同时，临界颗粒雷诺数 附面层发生分离时，产生压差阻力.文献[1]根 也不相同.从图3可看到，随着TU的增大，Re 据此压差阻力，计算出了由于颗粒与管壁之间 C曲线有所改变.流体的紊流强度不同，发生临 流体加速（从(3）式知，v>)而引起额外的阻力 界现象（即：C突降到0.I)所对应的颗粒Re也 系数C·由此，颗粒在管道中的阻力系数增加 不同；一般而言，紊流的脉动强度愈大，临界颗 为C+C1,由(1)式可知，颗粒的干涉沉降末速 粒Re会提前（即Re愈小），这表明临界现象发 度y,将减小，其值如下： 生的位置并不固定，实际锰结核扬矿过程中，由 (4) 于多种因素可以使管道中流体的脉动强度有所 Vso 1-(dDyV1+Cs-1 (d/Dy 72 变化，当紊流脉动强度达到一定值时，由上面分 但式(4)中dD不能过大，当dD=0.2时，则 析得知，有可能使颗粒C减小， 颗粒的沉降末速度不会减小反而增大.如 10 图2，这是一钢球在提升管中沉降末速度与粒 径/管径比的关系图.因为dD过大，则环绕间 10' 相对强度 隙流速增加会使颗粒的层流附面层变为紊流附 面层，由于紊流中流体质点穿插乱动使大颗粒 40% 10% 处的流速加速增大，附面层分离点后移，尾流区 10s 309%209。 缩小，这时的压差阻力系数迅速减小，C:也随 10 之减小，从而增大了沉降末速度.要把扬矿管 10110101031010510 颗粒Re 中的颗粒输送上去，就需成倍增加提升水流速 图3素流强度TU、阻力系数与临界雷诺数的关系图 度.为此，颗粒粒径/管径应小于02，并可将此 作为参数合理化的判定准则， 3颗粒质量分数的影响 2紊流强度与阻力系数 垂有提升管道中，当颗粒质量分数大于 在水力扬矿管道中，水流处于紊流状态，所 3%时，就认为颗粒的沉降为颗粒群干涉沉降.. 5 2 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 9 年 第 6 期 个 图 1 垂 直 管道 中颗 粒 的环 流 间隙流 速分 布 以存在着紊流 的 脉动 现象 . 紊流流场中 , 任一 点 的流 体速度 u 可 认 为是 时均 点速度 反 与脉动速 度 矿之 和 . u = 丽+ u ` ( 5 ) 对 任一 点的脉动速 度 ’u , 其在一段 时间 内 的 平均值等 于 零 , 即 : 买 u ” 才一 o ( 6 ) 紊流 的强 度 用下 式 : 二 广 uT 一 俘 ( 7 ) ù, l 、任, 令出 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 颗 粒一 管道 直 径 比 , d D/ 图 2 垂直 管 道 中钢球 的 沉降 末速度 V 。 1 一 ( d D/ ) 2 ( 3 ) 试验表 明 , 锰 结核 的 R e 在 1创一4 “ 1创 之 间 , 管道输送时 , 颗粒表面形成 的 是层 流附面层 . 当 附面层 发生 分 离时 , 产 生 压 差 阻 力 . 文 献 〔l] 根 据 此压 差阻 力 , 计算 出 了 由于 颗粒 与管壁之 间 流体加速 ( 从 (3 ) 式知 , v > vs 。 ) 而引起额外的 阻力 系数 二 , . 由此 , 颗 粒在管 道 中的 阻 力 系数增加 为 二+ dC , , 由 ( 1) 式 可 知 , 颗粒 的 干 涉沉 降末速 度 v s将减 小 , 其值如 下 : V s _ V 5 0 ( 4 ) 但式 ( 4) 中 动口 不 能过大 , 当 功D = .0 2 时 , 则 颗 粒 的沉 降末 速度 不 会减 小 反 而 增 大 〔` 周 . 如 图 2 , 这是一 钢 球在提 升 管 中沉 降末速 度与粒 径 /管径 比 的 关 系 图 . 因 为 功D 过大 , 则 环绕 间 隙流速增加会使颗粒 的 层 流附 面层 变 为紊流 附 面 层 . 由于紊 流 中流体质 点 穿插乱 动 使大 颗粒 处 的流速加速增 大 , 附面层 分离点后 移 , 尾流 区 缩小 , 这时 的压差 阻 力 系数迅速减 小 , 二 也 随 之 减小 , 从而 增大 了沉 降末速度 v s . 要 把扬矿 管 中的颗粒输送上 去 , 就 需成 倍增加 提升水流速 度 . 为此 , 颗 粒粒径 /管径应 小于 .0 2 , 并可 将 此 作为参数合理 化 的判定准 则 . 2 紊流强度与阻力系数 式 中 , 澎为脉动速度 矿平 方的时间平均值 . 横 向紊 流脉动速度产 生 的紊动力使颗粒 向 管壁运动 , 而 纵 向脉动速度会 影响颗粒 尾流区 的 长度和 宽度 , 使脉动强 度加大 ; 又 由于 管 中紊 流区 流速 的分布 , 在管壁 附近流体速度 v 降低 , 而其紊流 强 度却 要增大 60 % 〔, 」 . 当 以上 2 种 现象 叠 加起来 , 脉动强度增加 到 一定值 时 , 则会使颗 粒 的尾 流区 逐渐缩 小以 至消 失 , 使颗粒 的层流 附面层 内的流体质 点发生 剧烈 的混杂运动 , 转 换为紊流 附面层 , 引起 阻 力系数 二 急剧下 降 . 图 3 2[] 给出 了 T U , 二 及颗粒 R e 的关 系 . 当混 合液 中紊流强 度 T U 不 同 时 , 临界颗粒雷诺数 也 不相 同 . 从 图 3 可 看 到 , 随着 T U 的增大 , R -e 二 曲线有所改变 . 流体 的紊流强 度不 同 , 发生 临 界 现象 ( 即 : 口 突 降到 0 . 1) 所对应 的颗粒 Re 也 不 同 ; 一 般而 言 , 紊流 的脉动 强度愈大 , 临界 颗 粒 R e 会提前 ( 即 R e 愈小 ) , 这表 明临界 现象发 生 的位置并不 固定 . 实际锰结核扬矿过程中 , 由 于 多种因素可 以使管道 中流体的脉动强 度有所 变化 , 当紊流脉动强 度达到一 定值时 , 由上面分 析得 知 , 有可 能使颗粒 二 减 小 . 颗 粒 R e 图 3 紊流 强度 T U 、 阻 力系数 与 临界雷 诺数 的 关系 图 在水力扬矿管道 中 , 水流处于 紊流状态 , 所 3 颗粒质量分数的影 响 垂 直提 升 管 道 中 , 当 颗 粒质 量 分数 大于 3 % 时 , 就 认为颗粒的沉降为颗粒群干 涉沉降