复合管道气液固三相流浆体水击压强和水击波速计算

　　1前言

　　水击是管道设计中要考虑的一种不稳定流.发生在水力输送固体物料的管道中的水击称为浆体水击.浆体水击的冲击力会引起管道系统中的压力脉动，形成超压和气穴，造成管道扭曲变形，严重时可导致管道破裂，甚至跑浆跑水，引起停产，影响管道系统的安全稳定运行^{1}.

　　浆体中的含气量对水击产生重要的影响，两相流管道中由于各种原因会掺入少量的气体，而气体的弹性模量远小于固体和液体，因此气体的量尽管很少，对水击波速的影响却很大。T.s.K0bori等人研究了清水条件下气体对水击波速的影响，研究表明:即使气体含量很少，仅为千分之一，波速可减少一半^【2].而原有的水击计算方法不论是清水的还是浆体的都没有考虑气泡的影响^【3、5].所以本文分了含气量对浆体水击的影响，提出了考虑含气量的浆体水击波速计算公式，在此基础上对某一复合管道内气一液一固三相流浆体水击压强进行了计算.

　　2气一液一固三相流浆体水击压强计算方法

　　在管道末端阀门突然关闭时，气固液三相的流速可以统一考虑，这与单相流很相似.所不同的是流体的压缩变形，由于固体、液体和气泡的弹性模量不同，其压缩的体积有固体颗粒的压缩量和液体的体积压缩量和气泡压缩量组成.

　　如图1所示，假定管道初始流速为Um0，关闭阀门后的终了流速为蛛:，则△t=OL/ami时段进入△L段的浆体体积为:

　　若固体颗粒体积浓度为ss，气相体积浓度为s9(含气量)，浆体水击引起的附加压强为尸，OL管段内液体的体积压缩变形量为:

　　式中，D为管径，Ep为管壁的弹性模量，e为管壁厚.

　　根据流体连续性原理，流入的浆体量等于液体、固体颗粒、气泡的体积压缩量和管道膨胀的体积:

　　将式(7)代入式(9)得:

的弹性模量，Pa;场为第二层管道的弹性模量，Pa ; E3为第三层管道的弹性模量，Pa; D为第一层管道的内径，mmD2为第一层管道的外径(第二层管道的内径)，mm ; Dz为第二层管道的外径(第三层管道的内径)mm;e3为第三层管道的壁厚，mmu1为第一层管道的泊松比;拼:为第二层管道的泊松比.

　　在管道水力输送中，由于要考虑到气液固三相流的稳定性，一般固体颗粒和气泡尺寸均较小，绝大多数可认为是均质流.均质流由于固体颗粒、气泡和水的流速一致，因此气液固三相流浆体水击压强计算关系式，可以借助单相流的水击压强计算关系式:

　　式中，P。为浆体混合物的密度，kg/ma;Q.m;为浆体压力波的波速，m/s;Vo, Vi为浆体混合物的初始速度和终止速度，m/s;P为浆体的浆击压强，Pa.