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摘要：用当量直径为12mm的碎冰，管径为49.7mm的水平管路在低流速范围进行了冰-水两相流的输送实验，主要对伴有悬浮床的冰-水两相流动特征进行了实验和理论研究。对比实验采用比重与冰相近的聚苯乙烯颗粒-水两相流。研究成效讲明，冰颗粒之间的粘性作用是引发冰-水两相流压降变化和非牛顿流体特征显示的重要身分，而且针对伴有悬浮床的冰-水两相流的非牛顿流体特征，提出了计较其输送压降的新方式。
关头词：冰-水两相流非牛顿流体压降悬浮床
1引言
冰-水两相流是冰和水的夹杂流体，具有温度为0℃，固相的比重接近于1等特点，类似的还有雪-水夹杂流体等。有关冰-水流动和雪-水流动的研究，在国外如日本、加拿年夜等国家的学者在80年月末90年月初，已注重并起头对这类问题进行研究。今朝，在国内对冰-水流动和雪-水流动的研究陈述还很少。然而，近年冰、雪引发的问题也逐渐在我国显露出来。例如，早春的冰川、冰河开河时发生冰凌流的冰堆有阻塞河流、渠道的危险，而且直接威胁到河流上面架设的桥梁平安等的消息时有报道。又如，针对城市交通、高速公路等在冬季进行年夜面积、快速断根冰、雪，都触及到冰-水和雪-水流动的问题。
冰-水流动属于非沉降性固液两相流，若是不存在冰颗粒之间的粘结现象，冰-水夹杂流体的管路输送工程应当是稳定和平安的。斟酌到冰-水工程中冰颗粒之间的粘结现象，所以冰-水两相流应称为含有粘性颗粒的非沉降性固液两相流。从高桥弘等人[1]对冰-水流体粘度丈量成效看，丈量数据散布显现无纪律的变化，这在一定意义上也显露出冰-水工程粘性变化的复杂性。凭据以往的研究陈述[2]，冰-水流体输送管路在较高流速范围内流动比力稳定；可是，对于低流速范围内输送管路的压降和稳定性若何，研究很少。斟酌到河流、渠道的冰凌流，或是冰水流体潜热的哄骗[3]工程管内的流动特点，有需要研究低流速流动的冰-水两相流动特征。
是以，作者使用粒径为12mm的碎冰，管径为49.7mm水平管路，用冰-水两相流与聚苯乙烯-水两相流的比力研究方式，对伴有悬浮床的冰-水两相流动特征和输送压降进行实验和理论研究。
2实验装配
实验使用的装配略图，如图1所示，由夹杂槽、颗粒泵、电磁流量计、测试管等流动参数丈量装备组成。测试管是内径为49.7mm，长度为12m的透明管；并能使用高速摄像机进行摄像，以便具体观察冰颗粒的运动特征。观察窗是套在圆管外并布满清水的四棱柱面体，以避免光线经由过程透明圆管曲面时发生折射影响拍摄图像。另外，夹杂槽内设置有一定年夜小网格的网槽，使轮回管路的吸进口放置其中，其作用是避免被破碎后的小颗粒冰块再吸进管路内，以保证测试管内流动冰颗粒的粒度不变。
实验中，压降的丈量采用了应变仪型差压传感器，流速、压力变化和压差等数据使用计较机进行收集。为了便于仔细观察冰-水两相流动状态，使用了高速摄像工程（nachsv-400），该工程的帧速度为200fps（1/200秒），示踪颗粒采用3左右的红色冰颗粒。另外，为了使冰-水流的温度在0℃不变，始终连结夹杂槽内有冰积压。
实验中使用的冰颗粒等体积当量直径是12mm，冰的比重是0.917，冰-水两相流的输送浓度由下式界说，即
式中qi和qw划分是冰和水的流量，g是单元时间t内的夹杂流体的重量，a是管面积，vm是流体平均速度。
4 结论经由过程对水平管内伴有悬浮床的冰-水两相流流动特征和输送压降的研究，获得以下结论。
(1)经由过程与聚苯乙烯-水两相流的比力研究发现，在低流速范围冰-水两相流具有非牛顿流体特征。
(2)提出了具有非牛顿流体特征的冰-水两相流压降计较的新方式；其计较值与实验值比力成效说明，基于斟酌冰-水工程中冰颗粒之间的粘结性，所建立起来的计较方式能够估算伴有悬浮床的冰-水两相流的输送压降。
参考文献
［1］高桥弘，加藤美好，佐佐木nfda1夫，川岛俊夫.有关冰水浆体粘度考查.第11界日本雪工学年夜会，1994,pp.93-98.
［2］白正高.雪水力输送的流体力学诸问题.第6届混相流学术会议，1988.pp.67.
［3］snoeketal.,iceslurrytransportfordistrictcoolingnetworks,proc.of12thhydrotransport,1993,pp.511-524.
［4］shooka.c.,experimentswithconcentratesslurriesofparticleswithdensitiesnearthatofthecarrierfluid,can.j,chem.engng,vol.63,pp.861-869,1985.
［5］益山忠等人.日本矿业杂志,1980,vol.96,no.4,p.231-244.
［6］富田幸雄.关于非牛顿流体的管内流动.日本机械学会论文集(第三部),1958,第24卷,第1141号,288-294.
3实验成效及其分析3.1冰-水两相流动状态的观察
实验中对于冰-水流动状态的观察，采用高速摄像和肉眼观察两种方式。图2是实验中的肉眼观察和录像的观察成效获得的示意图。如图所示，输送速度从高到低逐渐削减时，管内冰-水流动状态的变化样式可以依次划分为(a)、(b)和(c)所示的三种流动状态。其中，图2(a)是从冰颗粒在管内显现似平均散布状态，图2(b)是管顶部有冰颗粒悬浮层的同时，冰颗粒层下有部门颗粒跳跃移动，图2(c)是管内冰颗粒基本上全数集中在管上部形成悬浮床。图3是与图2(b)所示的流动状态相似的实拍图像的黑白打印成效。对比实验使用了比重为0.86的聚苯乙烯-水两相流体。图4是聚苯乙烯-水流动状态实拍的图像的黑白打印成效。图4也是与图2(b)所示的流动状态相似。
实验中，当流速小于1.1m/s的流速范围时起头观察到管内流动样式从图2(b)到图2(c)的变化进程，作者把这类低流速范围内的流动样式称为伴有悬浮床的冰-水两相流。
3.2冰-水两相流与聚苯乙烯-水两相流的压降比力
图5是冰-水两相流和聚苯乙烯-水两相流的实验成效进行对比的平均流速与压降关系，(图中的圆形符号暗示了浓度为0.245的冰-水两相流的平均流速与压降关系的实验值；图中的方形符号暗示了浓度为0.25，比重为0.86，颗粒粒径为3.21mm的聚苯乙烯-水两相流平均流速与压降关系的实验值；图中的实线是清水的平均流速与压力损失关系的计较值)。从两种比重相近且显现不异流动状态的实验成效看，在流速为0.82m/s左右时，冰-水两相流的压降，随着流速的削减有增年夜的趋向；与此相对的聚苯乙烯-水两相流的压降照旧连结削减的趋向不变。其缘由是流速小于1.1m/s范围的冰-水两相流的流动应为伴有悬浮床流动状态。所以管内输送的压降，主要来历于悬浮层内冰水流体流动克服冰块之间的粘结力所发生的压降。图6是冰-水两相流在分歧浓度下的平均流速与压降的关系，与图5所示的成效基底细同。
3.3伴有悬浮床的冰-水流动的非牛顿性显示
图7是浓度为0.15的冰-水两相流和聚苯乙烯-水两相流的壁面剪切应力τw与平均流速8v/d的关系比力图。图中实线暗示牛顿流体水的计较值，圆形符号是冰-水两相流的实验值，三角符号是聚苯乙烯-水两相流的实验值；其中，聚苯乙烯颗粒的粒径为3.21mm。如图7所示，以实线所暗示的牛顿流体为参照，在流速范围内，冰-水两相流较着具有非牛顿流体的流动特征。
3.4具有非牛顿流体特征的冰-水两相流压降计较
关于冰-水两相流的压降计较，已有若干文献[2,4]陈述。对于伴有悬浮床的冰-水两相流，压降随着流速减小，而增加的问题始终没有解决。
作者计较冰-水两相流的压降方式以下。假设冰-水两相流中冰颗粒不仅具有一般固体颗粒的所有物性，而且在冰颗粒与冰颗粒、冰颗粒与流体之间有较着的粘结力；而且，该粘结力形成的剪切力与一般固体颗粒流动时发生的磨擦力相当。为了叙述利便，这里把具有非牛顿特征的流体，称为输运流体。是以，从层流到湍流的范围内,冰-水两相流的压降采用益山等人[6]提出的输运流体为非牛顿流体的固液两相流的压降公式进行计较。
式中△piw和△pf划分暗示冰-水两相流和输运流体的压降，ρiω和ρf划分暗示冰-λf水两相流和输运流体的密度，λf暗示冰-水流体的管磨擦系数，vm、d和g划分暗示平均流速、管直径和重力加速度。
输运流体的压降，采用宾汉流体的计较公式(6)。（3）式中的ζe是运动量抵偿系数,由（4）式计较，式中，α是比栓半径。
管磨擦系数在层流和湍流的分歧范围,按分歧的公式进行计较。当流体的雷诺数与临界雷诺数相比，小于临界雷诺数时，用层流范围的管内磨擦系数公式；年夜于临界雷诺数时，用湍流范围的管内磨擦系数公式。首先，临界雷诺数rec由（5）式计较。（6）式中，ac和he划分为临界比栓半径和赫得斯托罗姆(headstrom)数，它们划分由（6）和（7）式计较。(7)式中的τy为流体的屈就应力。冰水流体夹杂表观粘度μ*f，由krieger公式（8）界说，μ是与颗粒硬度和外形有
非牛顿流体的管磨擦系数，在层流范围由（9）式计较；在湍流范围由实验式（10）式计较。
式中，re为夹杂流体的雷诺数，由（11）式计较，（12）式中的φ(α)和α是比栓半径α的函数，由（12）式和（13）式计较，（13）式中的比栓半径α由（14）式计较，（14）式中的τω为壁面剪应力,由（15）式计较。
图8是经由过程上述具有非牛顿流体特征的冰-水两相流压降计较方式，计较获得的计较值和实验值比力一致；与清水的压降相比力，在流速以1.7m/s为区分点，当流速年夜于1.7m/s的流速范围，冰-水两相流的压降起头低于清水的压降，这是由于冰颗粒的存在抑制了流体的湍流强度而至；由于引进的冰水流体夹杂表观粘度，夹杂流体的磨擦系数的值比清水的高。
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