绞吸式挖泥船管道加气输送技术研究

论文摘要

绞吸式挖泥船进行疏浚作业在湖泊清淤、航道整治、港口建设和吹填造地等工程中广泛应用并发挥着重要作用。在绞吸式挖泥船施工过程中,疏浚泥浆通过长距离输泥管道从挖掘水域排放到泥浆存放点,由于疏浚泥浆具有浓度高、颗粒不均匀和成份复杂等特点,因此在长距离输送过程中存在管道阻力大、输送能耗高、管道堵塞和排泥距离受到限制等技术问题,严重地影响着疏浚挖泥船的生产效率、作业范围和生产成本。解决这些问题的关键点就是如何利用管道助推技术减小管道阻力,延长管道输送距离,同时还能减少管道磨损。论文中围绕加气输送的减阻机理、减阻效果、减阻范围等问题开展研究,主要研究内容分为理论、实验及应用三大部分。理论方面主要包括明确疏浚泥浆的基本性质和分类,分析泥浆在管道内部的流态,分析气体喷入泥浆后对管道内部流态的影响。判断不同输送参数下管道内部泥浆的流型,主要分为分层流、定床段塞流、动床段塞流及均匀段基流四种流型。根据不同流型分析其管道输送数学模型,将气体流量、泥浆流量、泥浆密度、泥浆体积浓度和管道直径等参数代入理论模型进行计算,得出管道内部的压力分布数据,利用压力梯度的大小评价管道阻力。将各工况下的管道阻力进行比较,找出管道输送的临界加气速度以及临界泥浆流速。试验方面首先是优化改造加气输送试验台,主要包括对数据采集系统及测控系统的优化以及对加气关键设备的设计。然后设计试验方案,主要通过调整主泵功率来调节泥浆流量,通过调整空压机加气压力来调节气体流量,泥浆体积浓度从清水到30%浓度逐步递增。试验采集了大量的数据并进行归纳整理,与理论模型的计算结果进行对比,检验加气输送数学模型的准确性并明确数学模型的适用范围。评价加气设备的功效和加气输送减阻效果,为管道加气输送技术提供理论基础和试验依据。应用研究主要是开展加气输送系统的适用性评价。首先将加气系统更换为工程中普遍应用的接力泵输送系统,进行不同泥浆浓度及流量下的试验,采集管路输送系统的各项数据,将接力泵输送系统和加气输送系统进行对比,主要分析两种输送系统在流量、排距、产量及能耗方面的优劣,明确各自的应用范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外发展情况
• 1.2.2 国内发展情况
• 1.3 加气输送前景及关键问题
• 1.4 本文研究目标及内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 关键点
• 第2章 管道加气输送的机理
• 2.1 泥沙的基本性质
• 2.2 管道输送泥浆的流变特性
• 2.3 泥浆输送阻力损失分析
• 2.3.1 泥浆两相输送流型
• 2.3.2 泥浆输送阻力损失分类
• 2.3.3 阻力特性影响因素
• 2.4 泥浆输送减阻方法
• 2.5 管道加气减阻的机理
• 2.6 加气对管道流型影响
• 2.7 管道流型判别方法
• 2.7.1 基于流型图的流型判别
• 2.7.2 流型转换准则
• 2.8 本章小结
• 第3章 管道加气输送数学模型
• 3.1 气液分层流动
• 3.1.1 分层流动数学模型
• 3.1.2 模型计算结果及分析
• 3.2 底部形成有滑动流床的段塞流
• 3.2.1 动床段塞流数学模型
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.3 底部形成有固定流床的段塞流
• 3.3.1 定床流动数学模型
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.4 泥浆颗粒均匀悬浮的三相段塞流
• 3.4.1 均匀段塞流数学模型
• 3.4.2 计算结果分析
• 3.5 本章小节
• 第4章 管道加气输送实验台及测试系统
• 4.1 试验台介绍
• 4.2 试验装置的测控系统
• 4.2.1 数据采集
• 4.2.2 控制系统
• 4.3 加气系统结构设计仿真
• 4.3.1 加气喷嘴设计原理
• 4.3.2 喷嘴设计图及网格划分
• 4.3.3 边界条件及仿真
• 4.3.4 流场模拟及混合效果
• 4.3.5 喷嘴设计结论
• 4.4 试验总体方案
• 4.5 本章小结
• 第5章 试验数据分析及模型对比
• 5.1 管道沿程压力点数据分析
• 5.2 管道沿程压力梯度分析
• 5.2.1 压力梯度-气体流量关系
• 5.2.2 压力梯度-泥浆流量关系
• 5.2.3 压力梯度-泥浆浓度关系
• 5.2.4 压力梯度-输送距离关系
• 5.3 试验数据与理论模型对比分析
• 5.3.1 试验流态确定
• 5.3.2 数据对比分析
• 5.4 模型与试验结果匹配度分析
• 5.5 本章小节
• 第6章 加气设备输送排距及能耗分析
• 6.1 管道输送排距分析
• 6.1.1 管道沿程压力
• 6.1.2 管道沿程压力梯度比较
• 6.1.3 管道输送排距比较
• 6.2 能耗对比分析
• 6.2.1 加气输送能耗
• 6.2.2 接力泵输送能耗
• 6.3 产量对比分析
• 6.4 本章小节
• 第7章 结论及展望
• 7.1 本文主要研究成果
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目
• 附录:符号说明（按文中出现的先后顺序）