粒度分布对高浓度浆液管流中压降和浓度分布的影响
DR Kaushala，*，Kimihiko Satob，Takeshi Toyotab，Katsuya Funatsub，Yuji Tomitab
印度理工学院土木工程系，Hauz Khas，新德里 -110 016，印度
b九州工业大学机械与控制工程系，日本北九州市Tobata，Sensui Cho，1-1 804-8550
2003年4月1日收到;以2005年3月6日的修订形式收到
摘要
在两种尺寸的玻璃珠上，在54.9mm直径的水平管中进行实验，其平均直径和几何标准偏差分别为440mu;m和1.2和125mu;m和1.15，两种尺寸的混合物的质量相等。对于每个速度，流速高达5米/秒，总体积浓度高达50％。测量压降和浓度分布。获得的剖面是在水平的，包括管轴的45度和垂直平面中穿过等速采样探针。分析在垂直平面中收集的混合物的浆料样品的构成混合物的每个颗粒批料的浓度分布。
2005 Elsevier Ltd.保留所有权利。
关键词：高浓度浆料;两种粒径的混合物;压力下降;不同平面的浓度分布;组分颗粒的浓度分布
简介
液固两相流广泛应用于泥浆管道的化学和采矿业，并存在于河流力学等自然现象。世界各地的研究人员一直致力于开发浆液管道中压降和浓度分布的精确模型。压降是设计者在设计管道泥浆输送系统时要评估的最重要的技术参数之一，并且是决定泵容量选择的参数。有关浆液流量压降预测的几项研究可在文献中找到（Wasp等，1977; Doron等，1987; Gillies等，1991;Sundqvist等，1996;Mishra等，1998;Ghanta和Purohit，1999年;Wilson等，2002;Schaan等，2000;Kaushal和Tomita，2002年;Kumar等人，2003年等）。浓度分布可用于确定直接重要性的参数（混合物和固体流速）和次要效应，例如壁磨损和颗粒降解。最近Kaushal和Tomita（2002）和Kumar等人的着作。（2003）在浆料管道中的浓度分布领域值得一提。
大多数早期关于浆液管道系统的研究都是基于中等体积浓度的固体（例如高达26％）。现在普遍使用的更大浓度表现出更复杂的行为。同样在任何实际情况下，固体的尺寸更粗，宽的颗粒分级以大的流速输送。本研究通过实验研究了这些浆料的流动特性，并对其进行了分析，以揭示粒度分布对压降和浓度分布的影响。
实验设备
建立测试回路以获得流速，浓度分布，压降和流动模式。测试环水平放置在日本KIT的粉末技术实验室中。与钻机的重要的尺寸沿的示意性布局图和平面图在呈现图1。管道内径为54.9 mm。该钻机由22米长的循环管道回路，200升容量的泥浆罐，150升容量的水箱和一个离心泵组成，以保持泥浆流动。管道回路，浆料罐和水箱由不锈钢制成。浆料从浆料罐（图1中的7）供应（b）），其中由电动机驱动的混合器机械地混合水和固体颗粒。混合器的转速保持足够高，以在浆料罐中获得均匀的固体分布。充分注意尽量减少将气泡引入系统。罐出口位于底部上方约10cm处（混合器叶轮下方约10cm）。另外的水箱（图1（b）中的10）与浆料罐平行连接作为缓冲器，从而减少了浆料罐在启动和关闭时的混合物水平的变化。浆料通过离心泵（图1中的1）循环通过系统（b））带有橡胶涂层的凹进叶轮。选择该泵以覆盖预期的操作条件范围-15kW
图1.本研究中使用的测试环。
泵，它提供0.6立方米以22米/分钟。使用变频器控制流量，这使得能够将泵的旋转速度调节到任何期望的值。
使用电磁流量计（图1（b）中的2）测量浆料体积流量。
用于测量浓度分布的采样探针（图1（b）中的3）具有在端部上方3mm处的5mm·6mm矩形槽。在相应的流速和总浓度下测量不同平面中的浓度分布。在近等速流动条件下从水平的45度和垂直平面（包括管轴）的不同位置收集样品。在收集样品期间，确保浆料通过采样管出口的流动是连续且均匀的。在样品采集之前允许足够的时间以确保稳态条件。采样探头安装在游标式横动机构上。
两种单独粒度的选择使得对于两种尺寸的混合物，不同尺寸的粒度分布彼此不重叠。因此，我们可以通过使用具有中间直径开口的筛来分析混合物中组分颗粒的比例。分析用于在垂直横越中混合物的流动的浆料样品的组分颗粒的分数和浓度分布。通过使用300mu;m的筛子将样品分成两类。因此，我们可以评估混合物流中440 mu;m和125 mu;m尺寸的组成颗粒批次的分布。
在本文中，总面积 - 平均浓度Cvf用作每个实验的特征浓度，其是通过在等垂直平面中通过等速采样探针测量的浓度分布的积分来计算浓度的面积平均值。我们计划了实验，使总面积平均浓度每10％从10％到50％等间隔。得到的Cvf在表2（a），2（b）和2（c）的最后一行中给出。本文讨论的实验结果适用于这样的浓度组。
在两个相距3米的压力测量站（图1（b）中的4个）之间测量压差。这构成了约60个管道直径的长度。选择这些位置使得尽可能减少最终效果。在两个工位处设置分离室以及压力接头，以确保只有水可以进入压力传感器及其管道，并且固体颗粒不会卡在龙头开口中。柔性透明橡胶管将水龙头连接到差压传感器。差压传感器可承受高达50 kPa的压力。
使用固定在镍铬箔背面的铜 - 康铜热电偶（0.4mm直径）以10的周向固定间隔和数字温度计测量浆料的温度。热电偶安装在压力接头中。
来自差压传感器，热电偶和电磁流量计的输出信号由数据采集系统记录。在流动模式足够稳定之后进行读数（这通过目视观察和通过检查压降和流速读数的趋势来确定）。通过评估大约2000个读数的平均值来获得每个数据点。
在直管道中，提供了一个小长度（0.5米）的有机玻璃管（图1（b）中的6），通过观察管道底部颗粒的运动，确定管道中浆料的沉积速度。
使用的材料及其特性
平均直径为125 mu;m，440 mu;m的球形玻璃珠和两种尺寸的混合物已用于制备本研究的浆料。通过将125mu;m和440mu;m颗粒以50/50质量比例添加到管环中来制备混合物。然而，质量比MR在流动中并不总是50/50，并且通常较粗的颗粒尺寸在管道中循环更多，特别是当浓度高时，如表2（c）所示。平均比重测量为2.47。通过激光散射分析仪测定新鲜样品中的粒度分布，其可以测量0.05mu;m至879mu;m范围内的粒度。三组颗粒的测量粒度分布如图2所示。发现两种尺寸（即125 mu;m和440 mu;m）的分布
图2.本研究中使用的不同颗粒的粒度分布。（a）dm= 125mm，rg= 1.15。（b）dm= 440 mm，rg= 1.20。（c）两种尺寸的混合物，质量相等。
对数正常。对数正态分布的散布通常由几何标准偏差rg定义，该几何标准偏差rg由对应于84.1％的累积概率的分布变量的值是几何平均值的rg乘以的性质确定。因此，单分散颗粒的rg= 1，而rg小于约1.5的颗粒尺寸分布通常被认为是狭窄的尺寸。如果我们应用对数正态分布，则发现125 mu;m和440 mu;m的偏差rg分别为1.15和1.2，表明分布窄。
实验结果
对于给定的颗粒浓度，通过单调增加或减小流速Vm来进行测量。对于给定的流速和浓度，完成测量大约需要7分钟。当粒径为440mu;m并且流速高时，测量期间的温度升高很大，但是微弱地取决于浓度。在测量之间，总体平均温度上升最多约为1度。在测量过程中，我们没有发现压降和流速读数的任何单调趋势。
4.1。压力下降
图图3-5显示了每单位长度Dp / l相对于流速Vm的压降，结果列于表1中。为了检查水流中实验压降的准确性，将结果与Moodys图表进行比较。发现水数据遵循Moodys图表，对应于零相对粗糙度。对于所有不同浆料的浓度，速度在最大可实现值和最小可能速度之间变化，其中颗粒开始沉降在管道的底部。固体的流速
图3.在不同的总面积 - 平均浓度和流速下，125mu;m粒径的浆料的压降。
图4.在不同的总面积 - 平均浓度和流速下，440mu;m粒度的浆料的压降。
在管子底部滚动的颗粒被称为“在底部划线”。流速的进一步降低导致最底部的颗粒停留，并且该速度被称为沉积/临界速度。在图中在图4和5中，使用箭头标记指示沉积速度，并且相应的压降值在表1中示出。在更低的速度下，颗粒的运动作为管底部的床发生，并被识别为移动床速度。低于该速度，形成静态床，并且随着床厚度增加以发生管道的最终堵塞，以覆盖总管道横截面。
125 mu;m颗粒的浆料压降如图3所示，总面积平均浓度约为10％，20％，30％，40％和50％。据观察，任何压力下降
图5.在不同的总面积 - 平均浓度和流速下，125mu;m和440mu;m粒度的混合物的浆料的压降。
表1（a）
对于125 mu;m颗粒，压降以Pa / m为单位
表1（b）
对于125 mu;m颗粒，压降以Pa / m为单位
给定的流速随着浓度的增加而增加。所有速度下的所有浓度都可以看到这种趋势。在低速时，压力随浓度的增加率很小，但在较高的速度下会迅速增加。440 mu;m颗粒的浆料压降如图4所示，总面积平均浓度约为10％，20％，30％，40％和50％。从该图可以看出，任何给定流速下的压降随着浓度的增加而增加，但是在较高流量下增加的速率相对较小。
表1（c）
对于125 mu;m和440 mu;m颗粒的混合物，压降以Pa / m计
速度。此外，在较低的速度下，压降在较低浓度下保持恒定，并随着较高浓度下的流速而降低。在最大浓度（即50％）下，压降随流速降低，甚至达到最大流速5 m / s。从图。如图3和4所示，观察到较细的颗粒尺寸在较低的流速下具有较小的压降，并且在较高的流速下具有比较粗颗粒更大的压降。在较低速度下较粗粒度的压降的这种增加是由于重力作用导致在床中移动的颗粒量增加，而在较高速度下粒度更细的情况下，压降更多是由于更大的表面区域在悬架中造成更多摩擦损失。图5描绘了在总浓度为约20％，30％，40％和50％时125mu;m和440mu;m颗粒的混合物的压降。从图。在图3-5中，观察到对于两种尺寸的混合物，在较高的整体浓度下，大多数观察的压降较小。
（B）ccedil;VFasymp;30％（d）ccedil;VF asymp;50％
图6.颗粒尺寸为125 mu;m的浆料在垂直平面内的浓度分布。
除了5米/秒以外的时间。部分原因可能是较小的颗粒通过撞击阻止较大的颗粒形成移动床。
4.2。固体浓度分布
图图6-8分别显示了125mu;m，440mu;m和两种粒径的混合物的垂直平面中的浓度分布，其中Cy 0=Cvf对y0，其中Cy 0是体积浓度。 y0= y / D，y是距管底的距离，D是管道直径。表2总结了结果。
观察到颗粒在垂直平面中不对称分布，不对称程度由于重力作用而随着颗粒尺寸的增加而增加。还观察到，相同的浆料总浓度的不对称程度随着流速的降低而增加。这是预期的，因为随着流速的降低，湍流能量将减少，这是使固体保持悬浮的原因。从这些图中，还观察到对于给定的速度，增加的浓度降低了不对称性，因为固体颗粒之间的干扰效应增强。这种干扰的影响是如此强烈，以至于即使在较低速度下的不对称性在较高浓度下也会大大降低。
（B）ccedil;VFasymp;20％（d）ccedil;VF asymp;40％
图7.对于440mu;m粒径的浆料，在垂直平面中的浓度分布。
（B）ccedil;VFasymp;30％（d）ccedil;VF asymp;50％
图8. 125 mu;m和440 mu;m粒径混合物在垂直平面内的浓度分布。
垂直平面中的轮廓取决于颗粒尺寸，流动速度和浆料的总浓度。
测量的浓度曲线显示较粗粒度（即440mu;m）的浆料的形状的明显变化，在较低的速度下具有较高的浓度。据观察，底部的最大浓度不会改变并延伸到管道的中心，从而使管道上半部的浓度突然下降。浓度分布形状的这种明显变化的原因可归因于较低速度和较高浓度的较粗颗粒的滑动床方案。
在45°倾斜平面中的典型测量浓度分布，Cz 0=Cvf对z0（Cz 0是z0 = z / D处的体积浓度，其中z是沿着横向直径的下侧的距离对于125mu;m，440mu;m的浆料和两种粒径的混合物，在不同的总浓度和流速下，在图9中示出了在倾斜平面中的倾斜平面。获得的趋势与垂直平面中获得的趋势相当匹配。
在水平面上的典型测量浓度分布，Cx 0=Cvf对x0（Cx 0是x0 = x / D处的体积浓度，x是管壁沿水
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