隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源需求急劇增長，在礦產(chǎn)資源開發(fā)中均可能利用管道水力輸送技術(shù)，例如水力采煤、精礦輸送、深海采礦等。固體物料管道輸送技術(shù)由于具有投資少、建設(shè)周期短、占地面積少、可連續(xù)密閉輸送、有利于保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)成為這些礦山礦物輸送的必然選擇。近年來，我國先后建設(shè)了多條長距離輸送管道，如云南建設(shè)了171km大洪山鐵精礦輸送管道，太鋼公司建設(shè)了102km尖山鐵精礦管線，目前正在論證的神華至渭南的輸煤管道工程線路長度更是達(dá)到了700km�？梢灶A(yù)見，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，漿體長距離管道輸送必將在我國資源開發(fā)諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。令人遺憾的是，上述我國現(xiàn)有兩條最長的管線均為國外公司設(shè)計，反映我國管道水力輸送技術(shù)與國外仍有較大較大差距，因此，開展該領(lǐng)域研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。
    迄今為止，國內(nèi)外許多專家就這方面問題進(jìn)行了大量研究，如管道水力輸送阻力、顆粒在管道中輸送形式（懸移、推移）等。其中Durand、Newitt等給出了一些具有普遍意義的摩阻損失計算模型，夏建新等人則就粗顆粒在垂直管道中的水力輸送特性進(jìn)行了相關(guān)研究。然而，對于復(fù)雜形態(tài)管道中含粗顆粒非均勻固液兩相流動的研究比較少，尤其是粗顆粒在復(fù)雜管道水力輸送過程中運(yùn)動形態(tài)的變化規(guī)律目前還鮮有報道，而這一研究對于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，推進(jìn)我國管道輸送技術(shù)的快速發(fā)展和實(shí)踐工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步節(jié)能降耗具有重大的工程應(yīng)用價值。
    山東東方管業(yè)有限公司結(jié)合本公司實(shí)際出發(fā)，長期研究管道水力輸送的復(fù)雜形式，借鑒中央民族大學(xué)、環(huán)境科學(xué)系的大力幫助。對礦漿在超高分子量聚乙烯管粗顆粒的輸送研究。
    本文以管道水力輸送理論為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際工程中可能遇到的管道形態(tài)以及無聊的特性，自行設(shè)計了一套模擬管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了粗顆粒在復(fù)雜空間形態(tài)管路輸送過程中運(yùn)動形態(tài)的變化情況，并研究與速度、物料顆徑、體積濃度等重要技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系，為管道水力輸送系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。

1.粗顆粒在管道中運(yùn)動狀態(tài)的劃分
1.1滾動推移狀態(tài)
    滾動推移是粗顆粒在管道中較低流速條件下的運(yùn)動狀態(tài)，其運(yùn)動特點(diǎn)既符合推移運(yùn)動狀態(tài)的特征，又有其獨(dú)特性，主要表現(xiàn)在：①粗顆粒在管道中滾動推移的速度明顯小于水流的平均流速;②粗顆粒的滾動推移隨著水流強(qiáng)度加大出現(xiàn)單顆粒的滾動推移到顆粒群的滾動推移的變化；③與懸移和滑動推移不同，滾動推移所對應(yīng)的平均流速的范圍明顯較小，即粗顆粒出現(xiàn)滾動推移后短時間內(nèi)就會出現(xiàn)靜止現(xiàn)象。
1.2滑動推移狀態(tài)
    滑動推移是粗顆粒在管道中出現(xiàn)的主要運(yùn)動形式，其運(yùn)動特點(diǎn)是顆粒始終與床面保持接觸，粗顆粒與床面之間以及顆粒與顆粒之間存在摩擦、碰撞，處于滑動推移狀態(tài)的粗顆粒其支持力來自于流體的拖拽力和顆粒之間的相互作用的粒間離散力。在本研究中，粗顆粒出現(xiàn)滑動 推移所對應(yīng)的平均流速的范圍較廣，且試驗(yàn)所涉及的粒徑和濃度在較廣的平均流速區(qū)間均會出現(xiàn)滑動推移現(xiàn)象。
1.3懸移狀態(tài)
   懸移的基本特點(diǎn)是粗顆粒在管道中的運(yùn)動速度與水流速度基本一致，其能量來源于紊動動能，二處于懸移的粗顆粒其支持力是紊動漩渦，因此在管道垂直向上往往存在著一定的濃度梯度。在本文研究中，懸移狀態(tài)只在小粒徑、低濃度且高流速的情況下才會出現(xiàn)，因此，懸移狀態(tài)并且粗顆粒在水平管道中的主要形式。
2.試驗(yàn)系統(tǒng)和方法
為能夠處分研究粗顆粒在管道中的運(yùn)動狀態(tài)，特別涉及了超高分子量聚乙烯管道試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由變頻調(diào)速器、旋流泵、超高分子量聚乙烯管道、穩(wěn)壓水箱等四部分組成。超高管道直徑50mm，長度20m，其中包括水平管道、傾角30°上升管道、傾角45°上升管道、傾角45°下降管道和傾角60°下降管道5種形態(tài)。
粗顆粒水力管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)采用星形葉輪式給料機(jī)給料，經(jīng)固液分離濾網(wǎng)過濾后，物料直接進(jìn)入給料機(jī)料箱。采用清水泵作為流體輸送動力，物料不需要過泵，有效的避免了物料的破碎和粉化，保證試驗(yàn)過程中粗顆粒粒徑基本不變。
在試驗(yàn)系統(tǒng)控制與測量方面，給料機(jī)和水泵均采用變頻調(diào)速器進(jìn)行無級調(diào)速，確保滿足試驗(yàn)所需的流體輸送速度和顆粒濃度條件。在水平管中部安裝一段長約10m的透明有機(jī)玻璃管，便于觀察顆粒運(yùn)動運(yùn)移形式和對顆粒運(yùn)動進(jìn)行高速攝影，跟蹤顆粒運(yùn)動軌跡。利用數(shù)字圖像計算機(jī)實(shí)時處理技術(shù)進(jìn)行顆粒運(yùn)移形式、顆粒速度等分析。
試驗(yàn)的液相為清水，固相為天然石英砂，試驗(yàn)物料有0.8—1.0mm、1.0mm—2.0mm、2.0mm—3.0mm、3.0mm—4.0mm4組粒徑，每組粒徑物料進(jìn)行5%、15%、25%3種濃度試驗(yàn)。
試驗(yàn)時，先啟動泵，再將同一組粒徑的物料按照一定濃度均勻投入加料倉，泵轉(zhuǎn)速由變頻調(diào)速器控制。試驗(yàn)中，利用高速攝影測量不同運(yùn)動狀態(tài)（懸移、滾動推移和滑動推移）顆粒在水平管道中的厚度，水流速度和物料濃度數(shù)據(jù)可以通過在管道出口取樣標(biāo)定得到。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
由山東東方管業(yè)有限公司做高濃度試驗(yàn)得知：
3.11 懸移

   懸移并不是水平管道中粗顆粒的主要運(yùn)動狀態(tài)，只有當(dāng)粒徑小于2.0mm，平均流速大于3.0m/s,粗顆粒隨著平均流速的增加，出現(xiàn)懸移的顆粒越來越多，其面積比的最大值僅62.65%。傾斜上升管道中，傾角為30°時，當(dāng)粒徑小于2.0mm,平均流速大于2.0m/s,粗顆粒隨著平均流速的增加，出現(xiàn)懸移的顆粒越來越多，其最大面積比懸移的運(yùn)動狀態(tài)，這一點(diǎn)與水平管道存在明顯差異。隨著平均流速增大，4組粒徑均表現(xiàn)出懸移顆粒越來越多的趨勢，其懸移運(yùn)動顆粒面積占截面積的百分比均可達(dá)到100%。然而不同粒徑所對應(yīng)的平均流速具有一定的規(guī)律性：對于粒徑在0.8-1.0mm的較細(xì)粒徑，平均流速在2.4m/s時所有顆粒全部進(jìn)入懸移狀態(tài)，其面積比達(dá)到100%；對于粒徑大于1.0m的顆粒，平均流速達(dá)到2.8m/s時顆粒進(jìn)入懸移狀態(tài)，且于穩(wěn)定。
    可見，無論是從出現(xiàn)懸移運(yùn)動形式的臨界流速的比較，還是從出現(xiàn)懸移運(yùn)動趨勢的難易程度，設(shè)水平管為傾角為0°的傾斜管，則隨著傾角的增大，粗顆粒越容易出現(xiàn)懸移運(yùn)動狀態(tài)。

3.12滑動推移

    粗顆粒在水平管和傾斜管中滑動推移的運(yùn)動狀態(tài)隨平均流速的變化分為兩種類型，其一是當(dāng)顆粒小于1.0mm的顆粒,對于水平管而言，隨著平均流速增大，出現(xiàn)滑動推移顆粒越來越多且保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)平均流速達(dá)到2.9m/s時，隨著平均流速繼續(xù)增大，顆粒開始向懸移變化；對于傾斜管而言，滑動推移是一種過渡運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)平均流速達(dá)到2.0m/s時，顆粒迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙七\(yùn)動；其二是粒徑大于1.0mm的顆粒，雖然粗顆粒在水平管與傾斜管中的運(yùn)動形式相一致，但運(yùn)動趨勢卻存在著較大差異，對于水平管道而言，隨著平均流速的不斷增加，粗顆粒將保持其滑動推移的穩(wěn)定狀態(tài)，運(yùn)動速度逐漸接近水流的平均速度；對于傾斜角為30°的傾斜管而言，隨著平均流速的不斷增加，滑動推移運(yùn)動顆粒表現(xiàn)先增加后減小的趨勢，此時滑動推移層的高度受粒徑的影響較大，而傾角為45°的傾斜管則表現(xiàn)出滑動推移顆粒越來越多，當(dāng)達(dá)到最大值后，滑動推移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼乙频淖兓��?guī)律，這一規(guī)律與水平管道相一致。
    因此，滑動推移對于水平管道而言是一種較為普通，且在交款的速度范圍內(nèi)出現(xiàn)的一種穩(wěn)定的狀態(tài)，而對于傾斜管而言滑動推移僅僅是一種過渡狀態(tài)的運(yùn)動形式，當(dāng)傾角小于30°時，由于水流的上舉力無法超過垂直于關(guān)閉的顆粒有效重力的分力，因此顆粒以滑動推移為主要運(yùn)動形式；當(dāng)傾角超過30°時，隨著傾角的增加，粗顆粒將由滑動推移向懸移轉(zhuǎn)變，究其原因在于隨著傾角的增加垂直于管壁的顆粒有效重力的分力減小，在平均流速增加的情況下，水流紊力動能逐漸增加，由于水流的上舉力超過了阻礙顆粒上升的有效重力的分力，顆粒開始出現(xiàn)懸移。