美国GIW公司推出最新浆体输送压降4分层方法

采用综合环路对广泛粒级分布的浆体(4分层)进行流阻测试

采用综合环路对广泛粒级分布的浆体(4分层)进行流阻测试

  • R Visintainer,J Furlan,G McCall IIGIW工业公司,美国工程与研发部
  • 塞格伦 瑞典吕勒阿工业大学
  • 马托谢克(VMatoušek)捷克技术大学,捷克布拉格

概要

先前由Wilson和Sellgren两位专家提出采用4分层浆体压降模型用来解决浆体管道摩擦损失。当前工作的目标是收集旨在涵盖以下多个流态的全面而准确的试验数据用来验证和校准这个计算方法。这是通过获得四个不同的分级的二氧化硅和花岗岩碎料颗粒产品代表了四分层模型组份。然后将它们组合并测试从各种颗粒分布到各种浓度的完整混合物。初步实验是在203毫米(8英寸)管线,在103mm(4英寸)管道中重复同样实验用于验证管道尺寸缩放比例后,做模型缩放验证。总共进行了40次测试粒径范围从小于40微米到12.5毫米,d50粒径从小于40微米至7.5毫米,输送的固体浓度为4%至38%(体积)。粒径分布范围从非常窄到非常宽,比率为d85 / d50范围从1.3到30。对试验的数据进行分析,最后建议引入两个新的修正系数,确保综合试验数据和修改后的计算模型完好一致。

1简介

管道中浆液的固-液浆流根据混合速度,粒径分布,载体液体特性和管道几何形状以及其他因素会呈现出不同的流变特性状态。人们根据各种原理已经开发出各种浆体分层压损计算模型(Shook等,2002,Wilson等,2006)。

解决浆体管道摩擦损失的4分层模型方法由Wilson和Sellgren发明,最新公式由Sellgren等人提供(2014)。它由标准牛顿管流载体流体模型和具有三个已建立的沉降浆液模型:伪均质的“等效液体”浆体;“ V50”用于非均相流浆体,粗颗粒“ 完全分层”浆体的加权平均值组成。虽然每种模型都显示出实用性,但工业浆料通常包括跨越一个以上区域的粒度分布,因此需要一种综合方法。 4分层的半经验加权平均法优势明显,该模型提供了值得进一步发展完善的可能。特别是这种方法相对十分容易地在各种范围“沉降”浆液中施用,针对非常粗,细或窄粒度分布的极限浆体定义,自动调整对应单个层经过验证的计算模型,即可获得稳定计算结果。

为了顺利达到本试验的目的,根据下面由四个分层颗粒构建成的沉降浆体,将浆料中的颗粒按尺寸分配为四个体积颗粒成份或“组分”型号

测试期间使用的四种固体颗粒产品

如下所述:

 “载体流体CarrierFluid”颗粒成份Xf

Xf分数包括所有<40µm的粒子。 这些固体颗粒被假定为与载体液体“结合”,影响所得混合物平均密度和动力粘度。 针对4层浆体模型,术语“液体”仅指纯液体(不含固体),而术语“载体液体”是指液体与Xf颗粒成份混合出的拟流体混合物。该混合物的压损根据Darcy-Weisbach摩擦系数方法计算。 载流体密度取为液体和固体的平均混合密度,其表观粘度可根据以下几种现存方法之一确定。

“伪均质流Pseudo-homogeneous”颗粒成份Xp

Xp成份包括所有> 40µm的粒子,最大不超过0.2nr(mm),其中nr是载流体相对于标准水(20°C)的相对运动粘度。 这些假设固体粒子在流动中被湍流完全支撑,并表现出用于均匀流动的广义“等效液体”模型。 在应用该计算模型时,采用Xf成份确定的载流流体特性参数。 应用经验常数A’来模拟这个颗粒尺寸范围内观察到的流体动力升力存在的效果(Sellgren et al。2014)。

“非均质Heterogeneous”颗粒成份Xh

Xh颗粒成份包含大于Xp直径上限且小于Xs直径下限的所有颗粒。这些固体颗粒载流动中是由湍流和通过颗粒传递到管壁接触力的组合支撑起来的。这些颗粒造成的过量摩擦损失

Δih是根据威尔逊“ V50”模型来计算完成的(Sellgren等,2014)。 在应用该损失模型时,载液密度取为上述所有颗粒成份的总混合密度和颗粒直径取为Xh颗粒成份本身(dh)当作d50颗粒直径。 在当前版本中,将经验参数Cʹʹ乘以Δih修正模型,以考虑前面提到的部分颗粒间相互支撑和靠近管壁获取的举升作用影响。 它表示为先前的颗粒成份浓度和平均浆料速度函数关系。

“分层Stratified”颗粒成份Xs

Xs颗粒成份包含所有大于0.015D的固体颗粒,其中D是管道内径。 假定这些固体悬浮支撑主要通过颗粒传输到管壁来实现。这些大颗粒额外的摩擦损失Dis的计算是根据Wilson提出的完全分层流动方法进行的(Wilson和Addie,1995年)。 在应用该损失模型时,载液密度取为前述所有颗粒成份的总混合物密度。 一个经验参数B乘以Dis以弥补固体颗粒间相互支撑作用,以及由前面的所有颗粒成份阻碍的原因,降低了大颗粒对管壁的机械摩擦作用。 在当前版本中,它表示为一个包含前面的所有颗粒成份浓度和平均浆液速度影响的函数。

 

 

浆体四分层模型摘要

以下是对当前使用的浆体4分层模型方程的总结。 最详细的是,如Sellgren(2014)等人先前所述。还有一些关于液体性质的其他概括和介绍Bʹʹ和Cʹʹ的经验参数相关。

Xf,Xp,Xh和Xs的体积份数根据说明确定以上。 请注意,它们是相对于固体颗粒的总体积定义的(不是混合物),这样:

Xf+ Xp+ Xh+ Xs= 1

四种成份的份数及其粒度直径的图示

具体各种分层压降梯度计算方法和模型,请详细阅读计算原理文件.pdf

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