混凝土喷淋水平输送加速区压降研究

摘要

在混凝土输送管线的特定位置安装压力变送器，揭示混凝土喷射过程中压缩空气输送时的压降。对不同位置的压力进行了统计分析。试验结果表明，在混凝土水平输送管道的加速区，压力降主要发生在加速、碰撞和摩擦过程中。实验过程中引入了动量方程，解释了混凝土加速输送引起的压降。根据理论实验结果，引入的值对理论方程进行了修正 ,并对实验结果进行了优化，得到了混凝土输送过程中压降的近似模型。此外，将实验结果与模型方程进行了比较，表明了模型的可靠性。研究结论对调节混凝土输送过程中的压降具有重要意义设计混凝土喷射装置的工作参数，并预测混凝土输送的极限距离。

1.介绍

混凝土喷射技术在我国地下工程（如铁路、隧道）和煤矿隧道施工中得到了广泛应用[1.–3.]．风动混凝土喷射技术因其附带的便利而得到广泛应用。混凝土喷射是将搅拌后的混凝土用压缩空气密闭输送到喷嘴后喷射的过程，即气力输送过程。然而，混凝土的输送过程较为复杂，缺乏预测混凝土输送距离的理论参考。一般情况下，混凝土输送距离只能估计。因此，有必要对风力输送混凝土的过程和机理进行研究。研究结果为喷射混凝土机的设计和输送距离的预测提供了理论参考。

混凝土输送系统的设计应考虑压降。在计算输送管线中的压降时，通常采用经典相图，其中单位长度管线中的压降表示为与速度相关的函数[4.,5.].混凝土和管壁上的力可预测混凝土输送过程中的压降。Naveh等人通过研究不同类型颗粒气动传输过程中的压降，展示了颗粒滑移速度对压降的影响。这些作者认为，了解稳态区域内颗粒的速度对于可靠地设计整个输送过程至关重要[6.]布朗指出，颗粒和流体的流动是气动传输过程中压降的主要原因，并构建了一个线性方程来表示速度稳定区内的压降[7.]，可以描述为哪里是恒定的压降，是混凝土引起的压降，以及是由压缩空气引起的压降。

在这里哪里是管道中的摩擦系数，是压缩空气的密度，是空气速度，D是管道的内径，并且L是输送距离。

利用压缩空气的驱动作用输送混凝土存在悬浮流状态，由于流体流速较高，重力对输送状态的影响可以忽略[8.–10]．输送开始时，喷射混凝土机在压缩空气的作用下以零速度将混凝土输送到管道内。动量从空气传递到混凝土，可以触发气流的扰动以及动量的变化。在此过程中需要空气压力，且明显高于单相流动时的要求[11–13]因此，直线加速输送混凝土需要一个加速区，该加速区指从混凝土加速输送开始到稳定输送速度的过程[14]．

在本研究中，考虑了混凝土加速输送引起的压降。在混凝土输送过程中，加速区的压降主要归因于混凝土的加速、碰撞和摩擦。混凝土的加速仅发生在加速区，而碰撞和摩擦则发生在加速区r在整个混凝土输送过程中。加速区的总压降可定义为稳态压降和加速压降之和[8.]．在分析混凝土水平加速区传递压降时，必须首先考虑加速度引起的压降。加速度引起的压降一般是由加速区内的压力分布决定的。从喷射混凝土机到喷嘴的加速区主要分布在两种情况下:第一个加速区称为混凝土和压缩空气开始流动时的初始加速区。第二加速区是混凝土通过弯管后的区域。研究混凝土加速区压降规律对预测混凝土输送距离有重要意义[15,16]．

许多研究人员已经证明，混凝土在稳态区域的摩擦和碰撞引起的压降与加速区的压降不同，因此，加速区的压降不能用混凝土的动量方程来预测，通常是通过混凝土碰撞和fr之间的相关性来预测的输送过程中的摩擦[17–20]．

Ottjes研究了颗粒在水平管道中的运动，考虑了材料的升力和颗粒与管壁的非弹性碰撞[21]．Nguyen分析了水平管道中单个颗粒的运动，特别考虑了Magnus的影响[22]Huber和Sommerfeld对稀相流气力输送进行了三维数值模拟，并通过考虑双向耦合、湍流和湍流颗粒的弥散规律，预测了水平管道和90度弯管中的颗粒分布[23]．

Hanley等人提出了一种基于过程随机性的方法来量化线内颗粒碰撞，该方法可用于表示加速过程中内部骨料碰撞引起的压降[24]Klinging和Basha根据丰富的实验数据研究了平均颗粒速度的变化，并建立了相关关系，为压缩空气作用下的混凝土输送提供了合理的理论参考[25]Merkus和Meesters提出了一种使用动量方程描述加速过程中压降的方法。他们表达了混凝土颗粒和空气动量的变化方程，并提出了一种预测加速过程中压降的方法。但是，他们没有在加速区，因此无法判断加速区压降曲线的准确性[26]．

本研究主要研究混凝土气力输送加速区的压降规律，即研究空气和混凝土颗粒动量的变化规律与加速区压降的关系，通过改变混凝土的流速来改变气固比此外，改变了压缩空气的输入压力。通过压力变送器测量了管路中的压力变化。建立了数学模型，分析了混凝土气动输送加速区的压降规律。研究结论具有重要意义对预测混凝土间距和匹配最佳供气压力具有重要意义。

2.实验条件

２.１.实验仪器

在加速区压降实验中设置了2个规格(直径2.0英寸和直径2.5英寸)的混凝土输送线。给料机采用山东威特实验室矿山设备有限公司生产的PTS7推链式喷射混凝土机(见图)1.).喷浆机通过活塞将混凝土输送至出口，并通过压缩空气实现混凝土的远距离输送。该设备适用于干湿混凝土喷射。该喷浆机的最大喷射能力为6 m³/h。其理论耗气量和额定风压为8 m³/min和0.5 喷浆机电机采用变频调速，电机转速可通过变频器调节，从而控制混凝土输送过程中的混凝土吞吐量。

具体线条结构如图所示2.，包括四条折弯线。其中两条折弯线的半径为1 m、另外两条弯折线的半径为0.6 m、为了保证混凝土线路的一致性，使用普通橡胶软管将线路的弯曲部分固定在自制的弯曲固定装置上。在线路铺设过程中，通过旋转激光验证混凝土线路的水平性和同轴性。

2.2.实验仪器

压缩空气通过调节阀和涡街流量计进入喷浆机，调节和测量压缩空气的输入压力和流量。在本实验中，使用高精度平膜压力变送器测量混凝土管线中的压降。传感器采用美国Deville公司生产的Dwyer FDT系列平膜压力变送器，测量范围为0–1.6 MPa，准确度为0.02%。根据传感器的使用手册，压力变送器安装在特制管线的一段上，混凝土管线通过专用管夹固定在橡胶软管上。为了防止砾石划伤传感器，在压力变送器前安装了一个过滤器（图3.)．

（a）

（b）

通过涡街流量计测量压缩空气的温度和流速。在混凝土的整个输送过程中，温度被视为恒定的。因此，整个管线中的温度等于入口温度。在所有试验中，混合混凝土的温度控制在15至20°C之间。

当喷射机达到最大输送能力(6 m³/h)时，链轮转速为20 r/min。喷射混凝土机的进给速度可以通过传感器来调节。读取测量压缩空气流量的旋涡脱落流量计和测量管路压力的压力变送器，由无纸化记录仪接收数据。

2.3.实验材料

2.3.1.水泥

试验所用水泥为山东山水水泥集团生产的PO42.5水泥，其纯度和比重为3100 厘米^2./g和3.14。

2.3.2.骨料

集料分为细集料和粗集料，粗集料采用天然河砂，经筛选，其细度模数、含泥量和表观密度分别为2.75、1.2%和2.68 所用粗骨料为最大粒径小于10的普通石灰石碎片 mm.在混合细骨料和粗骨料之前，进行连续级配以去除杂质。细骨料和粗骨料的级配曲线如图所示4.，并符合国家标准GB50086-2001中推荐等级的限制[27]．

2.3.3.化学外加剂

本实验的主要化学外加剂是促进剂，该促进剂为粉状固体，密度为4 g/cm³。

2.3.4.混凝土配比

试验中，混凝土是按照煤矿常用混凝土配比配制的。混凝土配比为水泥:细集料:粗集料:速凝剂= 1:2:2:0.03。

3.实验和分析方法

试验中使用的PTS7推链式喷浆机，通过电机驱动活塞运动，实现恒速给料。混凝土风动输送过程中的压降预测预测单位长度的压降。在混凝土管线中，混凝土的加速过程主要分布在初始输送段和通过弯线后。这些加速过程的效果是相同的。因此，在试验中注意了初始段和通过弯线后混凝土加速过程中的压降。

在混凝土输送过程中的压降试验中，必须测量混凝土管线中的压力。为了防止砾石划伤压力变送器，采用以下方法进行试验。

试验开始前，仅通过供应压缩空气对混凝土管线进行验证：(1)图形3（a）说明在没有过滤网的情况下，压力变送器的底部安装在混凝土管线的内壁上。提供压缩空气，并通过压力变送器记录沿线路不同位置的压力。这是压力变送器的通用方法，可以准确测量混凝土管路中的压力。(2)在图中3（b），在压力变送器的安装底座上放置了一个过滤器。随后，安装了压力变送器，以保持压力变送器2的底部距离过滤器mm。供应压缩空气，压力变送器记录混凝土管线沿线的压力。

上述两种情况下的压力汇总如图所示5.。在此过程中，两种方法测量的不同位置处的压力有固定的差值．当用图中的方法测量混凝土输送中的压力时3（b），混凝土管线中的压力等于测量压力的总和和．换句话说，添加过滤器后的压力变化可用于反映整个输送过程中混凝土管线中的压力变化。

混凝土输送水平段的加速压降主要由压力变送器测量的平均压差引起。讨论了分析区域内任意两点之间测量的加速压降。然而，混凝土是否处于初始段或已通过弯板l忽略了ine；因此，人们认为，在相同的速度变化下，动量和能量的变化是相同的。

实验过程中，加速区出现压降，如图所示6..压降曲线表明，加速区的压降达到了相对稳定的趋势。对该过程中的压力曲线进行了拟合，并根据稳定压降的最终过程推导出一条代表稳态压降的直线。根据该推导出的直线，在可以确定零速度。

在图中6.,是加速区的总压降，以及是混凝土的加速压降。

通过对上述曲线稳定值的反向推导，可以从浮点数的指数趋势和线性压力梯度趋势得到稳态下的能量损失，导致压降加速，从而得到实际压降趋势e图中的拟合曲线6.:

在这里是测试段的长度，并且 , , ,和是常数。图中的数值6.被带入等式(3.)，从而得到以下方程式：

该压力-距离关系式包括两部分：（1）是反映混凝土管线中加速度引起的压降的指数函数。（2）是反映管线中混凝土碰撞和摩擦引起的压降的线性函数，在此情况下，压降分布均匀，根据上述曲线，我们可以得出以下结果：（a）混凝土管线中的稳定压降。（b）混凝土管线的加速压降。（c）加速度开始时的压力很难测量，在这种情况下，加速度开始时的压力可以通过方程推导出来，从而可以计算出从零到稳定转速的压降。（d）加速区的长度（方程式中的第1部分接近于零）。

为了预测混凝土输送过程中加速区的长度，Wei等人引入了阿基米德数[28]．阿基米德数主要反映了浮力与粘性力的比值，可以表示为哪里是阿基米德数，为混凝土密度，是空气的密度，是运动粘度，和是混凝土颗粒的平均直径。

在本研究中，使用高速摄像机测量混凝土颗粒的输送速度。通过压力变送器测量混凝土管线中的压力变化。通过颗粒速度和压力变化表示混凝土加速区的长度。此外，阿基米德数和长度之间的关系加速区的th表示为

在本实验中，加速区的总压降表示为稳态压降和加速压降之和（方程式(7.)). 加速压降( )是混凝土的动量方程，可以表示为(8.)．哪里是加速区的总压降，为混凝土加速压降，是混凝土的恒定压降，以及为混凝土颗粒流动的质量速度。

式中总压降(7.)用于计算位移的导数，可表示为

为了分析混凝土输送过程中的稳态速度和瞬态速度，本实验参考Wei等人的研究建立了一个方程[28]：哪里是混凝土的稳定速度，是混凝土的初始速度，并且是空气速度。根据方程计算距离的导数(10)并被纳入方程式(11)：

的价值同理(8.)这一点被考虑在内(12)取得

基于位移的积分x通过等式(13)，取得以下资料：

因此

通过比较方程式(3.)及(15)，取得以下资料：

因此，混凝土的加速压降可以表示为

为了保证结论的准确性，通过改变混凝土供应量和空气输入，验证了恒速段中的混凝土流动趋势。恒速段的起点设置为15 在试验中，混凝土供应由传感器电机的转速控制。在此过程中，发现混凝土输送过程中的压降与混凝土供应之间的关系，如图所示7..该图显示了混凝土输送过程中气流和混凝土供应量对压降的影响。

然而，方程式(7.)着重测试加速压降的物理特性，加速压降是混凝土输送过程中动量方程与气压传递之间的关系。为了准确预测混凝土输送中加速压降的关系，采用修正系数，以提高预测精度。因此，加速度区总压降的预测计算为

4.结果和讨论

通过实验预测混凝土输送过程中的压降非常简单。首先，必须确定混凝土输送过程中的压降是由加速输送、摩擦和混凝土碰撞引起的。由混凝土加速引起的压降也称为加速压降，即它只存在于加速区。摩擦和碰撞引起的压降称为均匀压降，它存在于混凝土的整个输送过程中。因此，加速引起的压降可以通过加速压降减去均匀压降来计算。在压降计算中在混凝土输送过程中，稳态压降和加速压降之和即为加速区的总压降。该关系基于加速区和恒速段的稳态压降相同的假设。

在预测混凝土输送压降时，加速压降可由式(8.)．因此，必须知道混凝土输送的稳态速度，其计算公式为10)及(11)在本实验中，传感器改变了电机的转速，从而改变了混凝土输送过程中的质量流量。同时，可以测量加速区和恒速区不同位置的压力。

不同质量流量下混凝土的实验压降趋势如图所示8.，比较根据公式绘制的曲线(17).图8.结果表明，在不同混凝土供应量下，曲线的增长趋势是相同的8.时，理论趋势可能与实验测量的实际曲线重叠。如果这两条曲线重合，则混凝土输送过程中的实际压降与预测压降相似，证明了预测的准确性。当实际压降与预测压降不重合时，加速区稳态压降与恒速区稳态压降不同。

混凝土压力的影响( )在开始位置，沿混凝土输送的压降趋势如图所示9.混凝土输送过程中的压力标准化基于可减小空气流量对压力测量的影响，最大误差可控制在2%以内。

在多个实验过程中通过改变不同电机转速下的空气流量和混凝土加料量，计算了混凝土的力学性能。

根据的值对混凝土输送过程中的加速压降和均匀压降进行了预测．如果 ,在恒速段，混凝土碰撞和摩擦引起的压降相同。如果 ,由于混凝土输送速度较低，压降相对较小。相反表示由于混凝土输送速度高，压降较大。在混凝土恒速段，颗粒碰撞较弱。但是，颗粒碰撞频率高，加速区颗粒碰撞强烈，导致混凝土颗粒能量损失高。因此，混凝土中的压降加速区高于恒速区。

在相同压缩空气流量下，混凝土输送的实验结果与理论结果之间的差异与混凝土输送量呈正相关。当混凝土输送量较小时，实验结果与理论结果相似，表明接近于1(图10)随着混凝土输送量的增加，试验结果与理论结果的差异逐渐增大，这种差异是影响混凝土输送预测的关键因素。

接下来，固定传感器的值，喷射机以恒定的进给速度输入混凝土。随后，通过调节阀控制压缩空气的输入来测试不同点的压力。实验结果与理论结果之间存在较大差异。使用随着空气流量的增加，这种差异逐渐减小，这也是影响混凝土输送预测的一个关键因素。

数字10和11表明与混凝土吞吐量和压缩空气输入量有直接关系。Tripathi等人测试了不同粒度的材料[29]，及可以定义为哪里是混凝土质量与空气质量的比率。

实验数据来自数字11和12我们被纳入平衡(19)，得出以下结论：

在加速压降实验中，混凝土颗粒的输送从一个点开始以一定的速度加速，最终达到匀速运动趋势[30–32].使用动量方程计算该过程中的压降：

压力降在等速段处于平衡状态。因此，总加速压力降可以从方程式中得出(18), (19)，及(21).总加速压降表示为：

还有，方程式(1.)及(2.)我们被纳入平衡(22)，则总加速压降表示为

验证方程的准确性(20)，实验中混凝土的进料速度保持不变。通过改变空气流量来改变混凝土的空气比，以分析沿线不同位置的压力。理论压力与实验压力的比较如图所示12．由理论公式得到的曲线方程与实验结果基本一致，最大误差小于10%。这验证了方程(20).在本实验中，施加直径为2.0英寸和2.5英寸的混凝土管线。通过压力变送器测试混凝土管线不同位置的压力（图12)最大误差小于5%，验证了方程的可行性(20)．

5.结论

为了获得混凝土喷射水平输送加速区的压降，布置了混凝土输送管道进行相关的混凝土输送试验。根据煤矿常用的混凝土配比配制混凝土。输送过程中管道上的各点压力由管道上设置的压力变送器进行测试。同时，利用实测压力对混凝土喷射水平输送加速区的压降进行了分析。

结果表明，在输送开始和弯管末端，管道压力迅速下降，并逐渐呈线性下降趋势，结合实验和动量方程分析了混凝土输送过程中的加速压降，分析了混凝土输送过程中的加速压降zed，主要是由加速度、摩擦和混凝土碰撞引起的，在稳定输送区也存在摩擦和混凝土碰撞。

根据混凝土输送过程中各点的压力绘制压降曲线。建立了混凝土输送过程中压降的数学模型。防止随机干扰因素的摩擦、碰撞，提高计算精度，校正因素介绍。

最后，将不同混凝土流量和压缩空气流量下的实测压力与数学模型的结果进行了比较，验证了数学模型的准确性，并得出了加速区压降的主要影响因素为混凝土质量与压缩空气流量之比ss、混凝土的初始速度、最佳最终所需速度、混凝土的进给速度和输送管道的横截面积。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应作者处获得。

附加点

创新点和亮点：（1）可通过在压力变送器前安装过滤器来防止混凝土对压力变送器的损坏。（2）仅通过供气来研究压力变送器安装前后的压力变化规律。（3）统计分析了在不同的混凝土和压缩空气输入量下，沿混凝土输送线不同位置的压力，在此基础上讨论了混凝土输送过程中的压降规律。（4）预测了混凝土输送过程中的压降。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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