隨著我國社會經濟快速發(fā)展，對礦產資源需求急劇增長，在礦產資源開發(fā)中均可能利用管道水力輸送技術，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由于具有投資少、建設周期短、占地面積少、可連續(xù)密閉輸送、有利于保護環(huán)境等優(yōu)點成為這些礦山礦物輸送的必然選擇。近年來，我國先后建設了多條長距離輸送管道，如云南建設了171km大洪山鐵精礦輸送管道，太鋼公司建設了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到了700km�？梢灶A見，隨著我國國民經濟的持續(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)諸多領域獲得廣泛應用。令人遺憾的是，上述我國現有兩條最長的管線均為國外公司設計，反映我國管道水力輸送技術與國外仍有較大較大差距，因此，開展該領域研究具有迫切的現實意義。
    迄今為止，國內外許多專家就這方面問題進行了大量研究，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行了相關研究。然而，對于復雜形態(tài)管道中含粗顆粒非均勻固液兩相流動的研究比較少，尤其是粗顆粒在復雜管道水力輸送過程中運動形態(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，推進我國管道輸送技術的快速發(fā)展和實踐工業(yè)生產進一步節(jié)能降耗具有重大的工程應用價值。
    山東東方管業(yè)有限公司結合本公司實際出發(fā)，長期研究管道水力輸送的復雜形式，借鑒中央民族大學、環(huán)境科學系的大力幫助。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，根據實際工程中可能遇到的管道形態(tài)以及無聊的特性，自行設計了一套模擬管道輸送試驗系統(tǒng)，分析了粗顆粒在復雜空間形態(tài)管路輸送過程中運動形態(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參數之間的關系，為管道水力輸送系統(tǒng)的設計提供依據。

1.粗顆粒在管道中運動狀態(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動狀態(tài)，其運動特點既符合推移運動狀態(tài)的特征，又有其獨特性，主要表現在：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度加大出現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，滾動推移所對應的平均流速的范圍明顯較小，即粗顆粒出現滾動推移后短時間內就會出現靜止現象。
1.2滑動推移狀態(tài)
    滑動推移是粗顆粒在管道中出現的主要運動形式，其運動特點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，粗顆粒出現滑動 推移所對應的平均流速的范圍較廣，且試驗所涉及的粒徑和濃度在較廣的平均流速區(qū)間均會出現滑動推移現象。
1.3懸移狀態(tài)
   懸移的基本特點是粗顆粒在管道中的運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，因此，懸移狀態(tài)并且粗顆粒在水平管道中的主要形式。
2.試驗系統(tǒng)和方法
為能夠處分研究粗顆粒在管道中的運動狀態(tài)，特別涉及了超高分子量聚乙烯管道試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由變頻調速器、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系統(tǒng)采用星形葉輪式給料機給料，經固液分離濾網過濾后，物料直接進入給料機料箱。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，保證試驗過程中粗顆粒粒徑基本不變。
在試驗系統(tǒng)控制與測量方面，給料機和水泵均采用變頻調速器進行無級調速，確保滿足試驗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的透明有機玻璃管，便于觀察顆粒運動運移形式和對顆粒運動進行高速攝影，跟蹤顆粒運動軌跡。利用數字圖像計算機實時處理技術進行顆粒運移形式、顆粒速度等分析。
試驗的液相為清水，固相為天然石英砂，試驗物料有0.8—1.0mm、1.0mm—2.0mm、2.0mm—3.0mm、3.0mm—4.0mm4組粒徑，每組粒徑物料進行5%、15%、25%3種濃度試驗。
試驗時，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，泵轉速由變頻調速器控制。試驗中，利用高速攝影測量不同運動狀態(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據可以通過在管道出口取樣標定得到。
3實驗結果與分析
由山東東方管業(yè)有限公司做高濃度試驗得知：
3.11 懸移

   懸移并不是水平管道中粗顆粒的主要運動狀態(tài)，只有當粒徑小于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，出現懸移的顆粒越來越多，其最大面積比懸移的運動狀態(tài)，這一點與水平管道存在明顯差異。隨著平均流速增大，4組粒徑均表現出懸移顆粒越來越多的趨勢，其懸移運動顆粒面積占截面積的百分比均可達到100%。然而不同粒徑所對應的平均流速具有一定的規(guī)律性：對于粒徑在0.8-1.0mm的較細粒徑，平均流速在2.4m/s時所有顆粒全部進入懸移狀態(tài)，其面積比達到100%；對于粒徑大于1.0m的顆粒，平均流速達到2.8m/s時顆粒進入懸移狀態(tài)，且于穩(wěn)定。
    可見，無論是從出現懸移運動形式的臨界流速的比較，還是從出現懸移運動趨勢的難易程度，設水平管為傾角為0°的傾斜管，則隨著傾角的增大，粗顆粒越容易出現懸移運動狀態(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動狀態(tài)隨平均流速的變化分為兩種類型，其一是當顆粒小于1.0mm的顆粒,對于水平管而言，隨著平均流速增大，出現滑動推移顆粒越來越多且保持穩(wěn)定狀態(tài)，當平均流速達到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動狀態(tài)，當平均流速達到2.0m/s時，顆粒迅速轉變?yōu)閼乙七\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動形式相一致，但運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，滑動推移運動顆粒表現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°的傾斜管則表現出滑動推移顆粒越來越多，當達到最大值后，滑動推移逐漸轉變?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出現的一種穩(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)的運動形式，當傾角小于30°時，由于水流的上舉力無法超過垂直于關閉的顆粒有效重力的分力，因此顆粒以滑動推移為主要運動形式；當傾角超過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，顆粒開始出現懸移。