不同直徑圓柱體同心環(huán)狀縫隙流軸向速度特性研究

吳 劍，孫西歡,2，李永業(yè)

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030600)

筒裝料管道水力輸送是當(dāng)今逐漸蓬勃發(fā)展起來的一種新型水力輸送方式[1]，其克服了漿體管道水力輸送、型料管道水力輸送工序繁瑣、運(yùn)輸成本高、輸送物料單一等缺點(diǎn)[2-4]。而囊體管道水力輸送又存在減阻理論不完善的問題[5,6]。筒裝料管道水力輸送是將圓形管道內(nèi)的圓柱體作為輸送載體，裝上物料后，在不同水流流速條件下，借助水流的流動(dòng)特性，以達(dá)到物料空間輸送的過程。大量理論及試驗(yàn)研究表明：管道車型號(hào)、荷載、輸送流量等試驗(yàn)參數(shù)的改變都會(huì)影響管道車特性，管道車荷重與其運(yùn)行速度成線性反比關(guān)系[7]。同心環(huán)狀縫隙流動(dòng)水壓強(qiáng)沿管道車外壁到管道內(nèi)壁呈現(xiàn)先減后增的分布[8]。流量因素對(duì)管道車的影響最為明顯，輸送流量增大，環(huán)隙斷面的壓力值整體增大[9]。

為便于試驗(yàn)分析，本文將管道車料筒概化為主圓柱體模型，附屬圓柱體則由支腳結(jié)構(gòu)和萬向滾珠組成。水流經(jīng)過管道車形成的環(huán)隙流動(dòng)概化為水流沿圓柱體母線形成的繞流流場(chǎng)問題。本文的研究結(jié)論為合理設(shè)計(jì)管道車型號(hào)、提高運(yùn)輸效率、推動(dòng)管道車應(yīng)用進(jìn)程提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由管道系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)組成，試驗(yàn)系統(tǒng)整體布置如圖1。本次試驗(yàn)采用多節(jié)內(nèi)徑100 mm有機(jī)玻璃圓管作為試驗(yàn)管道，測(cè)試段布設(shè)在彎管出口后4.5 m處。試驗(yàn)時(shí)，在水中加入微米級(jí)的示蹤粒子，水由水泵從儲(chǔ)水箱抽出，流入試驗(yàn)管道，通過調(diào)節(jié)閘閥開度調(diào)節(jié)流量大小，最后流至儲(chǔ)水箱形成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。水流流速由無接觸式高精度的多普勒激光流速儀(LDV)測(cè)定，相關(guān)參數(shù)如下：采樣頻率>200 Hz，采樣有效率>90%，采樣時(shí)間15 s。流速儀采集的速度值能保留15位有效數(shù)字，數(shù)據(jù)處理時(shí)，保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位。為了減小有機(jī)玻璃圓管對(duì)激光折射的影響，在測(cè)試管段加上一個(gè)矩形有機(jī)玻璃水套，并在里面注滿清水。

1-儲(chǔ)水箱；2-離心泵；3-輸水鋼管；4-電磁流量計(jì)；5-有機(jī)玻璃圓管；6-圓柱體；7-矩形水套；8-法蘭盤圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)整體布置Fig.1 The experimental system arrangement

1.2 圓柱體模型

圓柱體模型主要由主圓柱體和附屬圓柱體兩部分組成。主圓柱體前后兩個(gè)端面上分別布置了3個(gè)間隔為120°的輻射狀附屬圓柱體，起到了支撐主圓柱體的作用，圓柱體模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 圓柱體構(gòu)造示意圖Fig.2 The cylinder structure model diagram

1.3 試驗(yàn)基本參數(shù)

影響同心環(huán)狀縫隙流軸向流速的因素很多，主要有主圓柱體尺寸、附屬圓柱體尺寸、流量等。綜合考慮本文的研究內(nèi)容和代表性，選取同一流量下4種不同直徑圓柱體形成的縫隙流流場(chǎng)特性進(jìn)行分析研究，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 不同型號(hào)圓柱體試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameters of different types of cylinders

1.4 測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)的測(cè)試斷面布置在主圓柱體的正中間位置，該斷面處的環(huán)隙水流得到一定的發(fā)展，具有一定的代表性。鑒于圓柱體縫隙流流場(chǎng)的復(fù)雜性，為了更加準(zhǔn)確的測(cè)量出內(nèi)部流場(chǎng)的分布特性，測(cè)試斷面內(nèi)以同心圓的形式布置60個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)環(huán)半徑依次為：

式中：D為圓形管道內(nèi)徑；B為主圓柱體與圓形管道間的縫隙寬度。

各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Measuring point arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軸向速度整體分布規(guī)律

水流在環(huán)隙區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為軸向運(yùn)動(dòng)，圖4分別為直徑50、60、70、80 mm圓柱體中心斷面內(nèi)的水流軸向速度整體分布情況。

4種不同直徑的圓柱體形成的環(huán)隙流域內(nèi)，水流的軸向速度與理想狀態(tài)的圓管水流同心環(huán)狀分布有很大區(qū)別。因?yàn)楦綄賵A柱體對(duì)環(huán)隙流場(chǎng)的擾動(dòng)，從而使軸向速度分布較為紊亂。從測(cè)試斷面流速整體分布等值線圖來看，環(huán)隙水流軸向速度呈現(xiàn)出外側(cè)區(qū)域流速整體上大于內(nèi)側(cè)區(qū)域流速的分布。這主要是因?yàn)楣艿乐械乃鬟M(jìn)入縫隙流場(chǎng)中時(shí)，由于圓柱體的阻礙作用，使得環(huán)隙區(qū)域軸向速度內(nèi)側(cè)小于外側(cè)。隨著圓柱體直徑的增大，環(huán)隙水流的軸向速度等值線呈現(xiàn)出由稀疏逐漸變密集的趨勢(shì)，說明斷面軸向水流流速梯度逐漸增大，這主要是由于圓柱體直徑越大，環(huán)隙寬度越小，相對(duì)于測(cè)區(qū)，擾動(dòng)面積越大，附屬圓柱體對(duì)環(huán)隙水流的擾動(dòng)作用越顯著，增加了水流流動(dòng)的復(fù)雜性。

2.2 相同極軸上軸向速度變化規(guī)律

本試驗(yàn)共布置12條極軸，本節(jié)選取6條極軸上的測(cè)點(diǎn)速度進(jìn)行分析，選取原則為每隔1條極軸選取出一條作為分析對(duì)象，相應(yīng)折線圖如圖5所示。

圖4 不同直徑圓柱體中心斷面軸向速度等值線圖(單位：m/s)Fig.4 Axial velocity contours of central section with different diameter cylinders

據(jù)圖5分析可知：軸向速度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在第4個(gè)測(cè)環(huán)處。這是由于流體具有黏滯性，管道內(nèi)壁及圓柱體外壁處的液體質(zhì)點(diǎn)黏附在固定邊壁上，使得壁面處的速度為零；同時(shí)因主圓柱體對(duì)環(huán)隙內(nèi)測(cè)處水流有一定的阻礙作用，使得極軸上呈現(xiàn)環(huán)隙內(nèi)側(cè)速度值較小，外側(cè)速度值較大的分布。隨著主圓柱體直徑增大，實(shí)測(cè)的軸向平均流速分別為1.91、2.14、2.85、3.81 m/s，而同一極軸上的軸向速度值離散程度減小，其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.53、0.46、0.17、0.11，這表明壁面區(qū)和流體黏滯性在主圓柱體直徑越大時(shí)對(duì)紊流的抑制作用越明顯。

2.3 相同測(cè)環(huán)上軸向速度變化規(guī)律

為分析不同直徑條件下，同一個(gè)測(cè)環(huán)上各個(gè)測(cè)點(diǎn)速度的變化規(guī)律，繪制出相應(yīng)的折線圖，以便直觀地反應(yīng)出軸向速度變化規(guī)律。

從圖6可以看出：不同直徑圓柱體相同測(cè)環(huán)上測(cè)點(diǎn)軸向速度呈現(xiàn)“波浪”式分布。當(dāng)圓柱體直徑逐漸增大時(shí)，各測(cè)環(huán)之間軸向速度差值逐漸變小。這是因?yàn)楫?dāng)圓柱體直徑較小時(shí)，縫隙寬度大，環(huán)隙水流得到充分發(fā)展，各測(cè)環(huán)上的軸向速度差別較大。當(dāng)主圓柱體直徑增大，縫隙寬度減小時(shí)，由于圓柱體外壁和管道內(nèi)壁都存在2～3 mm厚的壁面區(qū)，相對(duì)于流域，壁面區(qū)所占的比重越大，而壁面區(qū)對(duì)紊流有抑制作用，測(cè)環(huán)之間的軸向速度極差越小。相同測(cè)環(huán)上極差均值分別為1.15、0.81、0.39、0.25 m/s，這與相同極軸上軸向速度的規(guī)律類似。從圖6還可以看出：環(huán)隙區(qū)域共存在3個(gè)波谷，其極軸角度分別為0°(360°)、120°、240°，而這正好是布置附屬圓柱體時(shí)的極軸角度。由于附屬圓柱體結(jié)構(gòu)對(duì)水流的擾動(dòng)作用，使得正好位于其正后方的測(cè)點(diǎn)軸向速度較小，而在附屬圓柱體的兩側(cè)則出現(xiàn)速度峰值，共存在3個(gè)波峰。

圖5 不同直徑圓柱體相同極軸上軸向速度變化圖Fig.5 Axial velocity variation of measuring points on the same pole of cylinder with different diameters

圖6 不同直徑圓柱體相同測(cè)環(huán)上軸向速度變化圖Fig.6 Axial velocity variation of measuring points on the same ring of cylinder with different diameters

3 結(jié) 語

通過對(duì)不同直徑圓柱體在同一流量條件下，管道中形成的同心環(huán)狀縫隙流速度特性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

(1)環(huán)隙水流軸向速度沿徑向從圓柱體外壁到管道內(nèi)壁呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律。

(2)隨著主圓柱體直徑的增大，極軸上與各測(cè)環(huán)間測(cè)點(diǎn)軸向速度逐漸變得較為均勻。

(3)位于附屬圓柱體結(jié)構(gòu)后的測(cè)點(diǎn)軸向速度整體有明顯的下降，其兩側(cè)的軸向速度出現(xiàn)峰值。

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