管道雙車在不同車間距下的后車流場特性研究

吳劍 喬樂 孫西歡 李永業(yè)

摘要：為進(jìn)一步探討筒裝料管道水力輸送過程中管道雙車在不同車間距下縫隙螺旋流流場特性，采用模型試驗(yàn)、理論分析相結(jié)合的方法，對雙車間距分別為10、30、50、70、90cm工況條件下管道雙車中的后車縫隙螺旋流流場特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)采用兩個(gè)相同型號的管道車模型在水平有機(jī)玻璃圓管內(nèi)完成，流量恒定控制為30m3/h。研究結(jié)果表明：管道雙車合理間距為50～70cm；車中斷面軸向速度極差與管道雙車間距相關(guān)性較大，車間距越大，極差越小，并逐漸趨于穩(wěn)定，而軸向速度上界與間距無關(guān)；切向速度比軸向速度小，切向速度的不均勻系數(shù)比軸向速度的大。

關(guān)鍵詞：管道雙車；車間距；縫隙螺旋流；流場特性；管道水力輸送

中圖分類號：TV134.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.025

國內(nèi)外許多學(xué)者在縫隙流和螺旋流的流動(dòng)規(guī)律、工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量研究。在縫隙流方面：李永業(yè)等[1]分析了管道車從靜止到平穩(wěn)運(yùn)移時(shí)同心環(huán)狀縫隙流的速度變化規(guī)律，并建立了數(shù)學(xué)模型；VadimTravniko等[2]研究了球體縫隙內(nèi)縫隙流場線性穩(wěn)定理論，得到了考慮非對稱擾動(dòng)的縫隙流不穩(wěn)定方程；張雪蘭等[3-5]對管道車不運(yùn)動(dòng)時(shí)環(huán)隙流水力特性進(jìn)行了研究，得出了環(huán)隙水流軸向流速、切向流速和壓強(qiáng)的分布規(guī)律。在螺旋流方面Orhan Aydin等[6]提出了一種新型圓管螺旋流起旋器，并研究了不同雷諾數(shù)下，起旋器長度和管道長徑比對螺旋流衰減變化規(guī)律的影響；饒永超等[7]利用雷諾應(yīng)力湍流模型，模擬研究了水平圓管中短螺旋紐帶起旋的螺旋流流動(dòng)特征；Khalid M.Saqr等[8]通過對不可壓縮非恒溫管道螺旋流流動(dòng)特性進(jìn)行研究，分析了人口螺旋流強(qiáng)度對圓管內(nèi)螺旋流流速分布規(guī)律及衰減變化的影響；S.Fokeer等[9]研究了不同雷諾數(shù)條件下，流體在三葉螺紋圓管中的軸向流速與切向流速分布規(guī)律，分析了螺旋流在流體輸送中的減阻效應(yīng)及衰減率。

同心環(huán)狀縫隙螺旋是管道車在輸送物料的過程中所形成的一種新的縫隙螺旋流現(xiàn)象。管道雙車中的后車流場影響因素眾多，非常復(fù)雜，縫隙螺旋流的有關(guān)特性直接影響管道車運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，因此對后車同心環(huán)狀縫隙螺旋流的流場特征進(jìn)行研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 管道車

本次試驗(yàn)的管道雙車型號相同，單個(gè)管道車的總長度為210mm，直徑為70mm，其中料筒長度為150mm，在其兩端面間隔120°呈輻射狀分別安裝了3個(gè)支撐體，在每個(gè)支撐與管內(nèi)壁的接觸面上都安裝一個(gè)萬向滾珠，管道車模型見圖1。導(dǎo)流條為長150mm、高10mm、厚3mm的有機(jī)玻璃條加工制作而成的呈扭曲面的葉片，安放角按照2°/cm的速度增長，出水端總安放角為30°，導(dǎo)流條兩端打磨成流線型，每兩個(gè)導(dǎo)流條之間間隔120°，并且要錯(cuò)開支撐體。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由動(dòng)力與流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、試驗(yàn)管道系統(tǒng)和多普勒激光測速系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)管路由多節(jié)內(nèi)徑100mm的透明有機(jī)玻璃圓管組成，整個(gè)試驗(yàn)管道保持水平。試驗(yàn)時(shí)，流量恒定控制為30m3/h，水由水泵從儲(chǔ)水箱抽出，然后流入試驗(yàn)管道，通過調(diào)節(jié)閘閥開度調(diào)節(jié)流量，最后流至儲(chǔ)水箱形成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。試驗(yàn)系統(tǒng)整體布置如圖2所示。

1.3 測點(diǎn)和斷面布置

每個(gè)測試斷面分為12條極軸5個(gè)測環(huán)，測環(huán)半徑R1～R5分別為47.0、44.0、42.5、41.0、38.0mm。極軸與測環(huán)的交點(diǎn)即測點(diǎn)，一個(gè)測試斷面內(nèi)共布置60個(gè)測點(diǎn)（見圖3），測試斷面布設(shè)在管道車車身正中間位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軸向速度分布

為了便于比較分析，繪制了不同間距下后車測試斷面水流的軸向速度（v）三維線框圖，如圖4所示（S為車間距，x、y為起點(diǎn)距）。

不同車間距下管道雙車中后車軸向速度特性相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。極差公式為

R=Xmax-Xmin（1）均值公式為標(biāo)準(zhǔn)差公式為不均勻系數(shù)公式為式中：Xmax、Xmin、Xi分別為測點(diǎn)軸向速度的最大值、最小值以及第i個(gè)測點(diǎn)的軸向速度；N為測試斷面內(nèi)的測點(diǎn)數(shù)量；R為極差；X為平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；η為不均勻系數(shù)。

隨著車間距的增大，測試斷面軸向速度變化范圍逐漸減小，極差由1.62m/s逐漸減小到0.99m/s，然后其趨于穩(wěn)定，保持在1m/s左右，而軸向速度的上界值與車間距無關(guān)，始終穩(wěn)定在2.7m/s左右。說明測試斷面的軸向速度極差與管道雙車間距相關(guān)性較大，而軸向速度的上界值與間距無關(guān)。這表明隨著管道車間距的增大，測試斷面水流軸向速度逐漸變得穩(wěn)定。當(dāng)車間距達(dá)到70cm時(shí)，軸向速度已經(jīng)比較穩(wěn)定，管道雙車合理間距為50～70cm。

2.2 切向速度分布

為了更加深入地分析縫隙螺旋流周向速度分布特征，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對測試斷面內(nèi)各測點(diǎn)切向速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖5所示。

隨著管道雙車間距變化，測試斷面內(nèi)水流切向速度整體差異并不明顯，速度均值分布在0.18～0.22m/s之間，斷面切向速度集中分布區(qū)間為0～0.4m/s。整體上來看，71%的測點(diǎn)切向速度比軸向速度小1個(gè)數(shù)量級，29%的測點(diǎn)切向速度比軸向速度小2個(gè)數(shù)量級。水流切向速度不均勻系數(shù)的均值為0.65，而軸向速度不均勻系數(shù)的均值為0.13，這說明測試斷面內(nèi)水流軸向速度比切向速度均勻。測試斷面內(nèi)水流切向速度方向大致為順時(shí)針方向，原因是導(dǎo)流條安裝時(shí)，進(jìn)水端與水流方向平行，然后沿水流方向順時(shí)針方向扭曲成一定角度的扭曲面。其中一些速度方向逆轉(zhuǎn)的測點(diǎn)無規(guī)則地出現(xiàn)在測試斷面內(nèi)，原因是水流經(jīng)過管道車支撐體結(jié)構(gòu)時(shí)，支撐體結(jié)構(gòu)對水流有一個(gè)擾動(dòng)作用，使得車身環(huán)隙處的水流方向發(fā)生改變。

3 結(jié)論

通過對管道中雙車5種車間距后車進(jìn)行縫隙螺旋流流場測定試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）管道雙車合理間距為50～70cm。

（2）車中斷面的軸向速度極差與管道雙車間距相關(guān)性較大，間距越大，極差越小，并趨于穩(wěn)定，而軸向速度的上界值與間距無關(guān)。

（3）切向速度比軸向速度小得多，切向速度的不均勻系數(shù)比軸向速度的大，切向速度比軸向速度紊亂。

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