導(dǎo)葉片式旋流器下游斷面螺旋流流速特性

李永業(yè)，高遠(yuǎn)，賈曉萌，魯一凡，孫西歡*，張雪蘭，李錦濤

(1. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

中國(guó)許多河流特別是北方河流大多發(fā)源于或流經(jīng)水土流失嚴(yán)重的黃土地區(qū)，致使這些河流的含沙量較高.而在含沙量較高的河道上修建攔河壩，需要考慮泥沙的淤積問(wèn)題[1-2].如果不能及時(shí)進(jìn)行輸沙排沙，則會(huì)造成大量的泥沙淤積，從而抬高壩前水位，減小水庫(kù)的有效庫(kù)容，甚至阻塞排水通道，會(huì)嚴(yán)重影響大壩的安全，并且縮短大壩的使用壽命.因此，有效解決泥沙淤積等問(wèn)題對(duì)于保證工程安全以及提高工程綜合效益都有著重要意義[3-4].

為了減少水庫(kù)中泥沙的淤積，常增設(shè)排沙管進(jìn)行排沙，如果增大輸送流量，可以提高排沙管的輸沙效率，但較大的輸送流量又會(huì)導(dǎo)致管道阻力損失增大；當(dāng)輸送流量較小時(shí)，則會(huì)降低懸移物的挾沙能力，有可能使泥沙淤積造成管道擁堵[5].因此，如何在管道輸沙過(guò)程中增大輸送濃度的同時(shí)又使能耗最低，這一直是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題.管道螺旋流不僅可以使泥沙顆粒均勻懸浮，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高濃度低速度的固體顆粒的運(yùn)輸，為提高管道輸沙效率、降低輸沙能耗提供了一個(gè)參考方向[6].

王慶祥等[7]通過(guò)物理試驗(yàn)，對(duì)渦管內(nèi)流速分布和旋流強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并對(duì)渦管內(nèi)橫、縱流速的相互關(guān)系進(jìn)行了探討.MIYAZAKI等[8]利用PIV對(duì)水平管道內(nèi)氣固兩相螺旋流中的粒子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，得到了固體顆粒的軸向速度.AYDIN等[9]對(duì)高雷諾數(shù)下的旋渦發(fā)生器所引起的渦旋衰減進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)旋流器長(zhǎng)度和管道長(zhǎng)徑比的變化會(huì)對(duì)管道旋流瞬間產(chǎn)生影響.饒永超等[10-11]對(duì)短螺旋紐帶在水平圓管內(nèi)產(chǎn)生的螺旋流流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，分析了管內(nèi)螺旋渦的形成區(qū)域和渦量大小的影響因素.ZOHIR等[12]對(duì)螺旋槳式旋流器在有壓管道內(nèi)產(chǎn)生的螺旋流流動(dòng)壓降特性進(jìn)行了研究，分析了旋流器安裝位置影響下的螺旋流流動(dòng)形態(tài)，并對(duì)管道內(nèi)有、無(wú)旋流器情況下水流的流動(dòng)壓降進(jìn)行了比較.王宗勇等[13]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)內(nèi)置偏心螺旋紐帶的管內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)螺旋紐帶的偏心放置會(huì)對(duì)管內(nèi)螺旋流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.楊小妮等[14]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)加裝起旋器的平直管道內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流條的安放角度、導(dǎo)流條高度以及管道內(nèi)流量的變化均會(huì)對(duì)管道內(nèi)螺旋流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.FOKEER等[15-16]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)氣流通過(guò)三葉螺紋圓管中所產(chǎn)生的渦流進(jìn)行了研究，并與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸向流速的模擬值和試驗(yàn)值吻合度較高，而切向速度的模擬值比試驗(yàn)值偏低.上述研究為管道螺旋流的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)，具有參考價(jià)值.

文中研究的導(dǎo)葉片式旋流器作為產(chǎn)生螺旋流的一種裝置，主要是通過(guò)在管道內(nèi)壁上添加導(dǎo)葉片使管道內(nèi)產(chǎn)生螺旋流，從而增強(qiáng)管道輸沙能力.而旋流器導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的變化，會(huì)對(duì)管道內(nèi)螺旋流的分布和強(qiáng)度產(chǎn)生影響.因此，文中對(duì)不同扭轉(zhuǎn)角下的旋流器下游管段的螺旋流流速特性進(jìn)行研究，以期為該旋流器的工程推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 旋流器

試驗(yàn)所用旋流器主要由2部分構(gòu)成，分別為透明有機(jī)玻璃構(gòu)成的圓管和導(dǎo)葉片，其中圓管內(nèi)徑100mm，導(dǎo)葉片數(shù)n=3.導(dǎo)葉片等間隔布置在圓管的內(nèi)壁，利用模具加工而成，導(dǎo)葉片長(zhǎng)、高、厚分別為L(zhǎng)=350mm(其中直段長(zhǎng)100mm，曲段長(zhǎng)250mm)、h=30mm和b=5mm.導(dǎo)葉后緣處切線(xiàn)與導(dǎo)葉前緣延長(zhǎng)線(xiàn)的夾角，即導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角θ,分別為10°，15°.圖1為旋流器結(jié)構(gòu)示意圖，導(dǎo)葉前緣至導(dǎo)葉后緣的平面投影如圖2所示.

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 導(dǎo)葉扭轉(zhuǎn)角示意圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試斷面布置

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由4部分組成，分別為供水與流量控制裝置、旋流器、輸水管道和流速測(cè)試儀器等.試驗(yàn)時(shí)控制管道內(nèi)水流的流量為40m3/h，采用離心泵將水流從蓄水池內(nèi)抽出，經(jīng)輸水管道流入旋流器后進(jìn)入試驗(yàn)測(cè)試管段，在管道末端水流流入蓄水箱，形成1個(gè)循環(huán)回路.試驗(yàn)中通過(guò)閘閥調(diào)節(jié)流量至試驗(yàn)所需流量工況(試驗(yàn)流量通過(guò)電磁流量計(jì)來(lái)計(jì)量)，待流量穩(wěn)定后采用PIV對(duì)旋流器后斷面的螺旋流流速特性進(jìn)行測(cè)量.圖3為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

文中所采用的流速測(cè)試系統(tǒng)為PIV激光測(cè)速儀，該儀器主要由片光源、激光器、高速攝像機(jī)以及數(shù)據(jù)處理裝置等組成；片光源照明系統(tǒng)采用高能量雙腔激光器Dual Power 100-50；高速相機(jī)與激光器使用不同坐標(biāo)架，坐標(biāo)架可通過(guò)電腦操控來(lái)精確移動(dòng)位移.在測(cè)試段圓管外包圍著1個(gè)充滿(mǎn)水的有機(jī)玻璃方形水套，且圓管在流量為40m3/h時(shí)為滿(mǎn)流，以此來(lái)減少折射對(duì)圖像采集產(chǎn)生的影響；另在儀器周?chē)贾谜陉?yáng)布以減少外界光線(xiàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響.

通過(guò)在管道內(nèi)壁添加導(dǎo)葉片，使水流產(chǎn)生周向速度，進(jìn)而在管道內(nèi)形成螺旋流.為了研究螺旋流的影響范圍和衰減規(guī)律，在旋流器下游布置測(cè)試斷面，測(cè)試斷面一共有5個(gè)，依次編號(hào)為1#，2#，3#，4#和5#.圖4為測(cè)試斷面布置圖.

圖4 測(cè)試斷面布置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于旋流器導(dǎo)葉的存在，管道內(nèi)水流產(chǎn)生了周向和徑向速度，因此可將管道內(nèi)的水流分解為軸向、徑向和周向3個(gè)方向.規(guī)定軸向速度vz以順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?，逆水流方向?yàn)樨?fù)；周向速度vw以沿管道斷面呈逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)；徑向速度vr以背離管道中心為正，指向管軸中心為負(fù).以旋流器下游1#,3#,5#斷面為例，分析旋流器下游斷面螺旋流的流速分布.

2.1 旋流器下游斷面的螺旋流軸向流速特性

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制旋流器下游斷面處的軸向流速等值線(xiàn)分布圖,具體如圖5(以三維等值線(xiàn)圖表示)所示.從圖中可以看出：

1) 當(dāng)導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角保持不變時(shí)，下游各斷面軸向流速分布規(guī)律大致相同，即從管道中心向管壁方向呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì).管道下游斷面的流速分布不再符合對(duì)數(shù)分布的規(guī)律，這主要是由于旋流器導(dǎo)葉片的存在對(duì)管道下游各斷面的流速分布產(chǎn)生影響，因此靠近管壁附近的速度梯度變化較無(wú)旋流器導(dǎo)葉片時(shí)更加平緩，而隨著距旋流器導(dǎo)葉片后緣距離的不斷增大，圓管內(nèi)的軸向流速分布又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)數(shù)規(guī)律的形式.

2) 管道內(nèi)壁的3片導(dǎo)葉呈120°的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布，所以下游各斷面的軸向流速關(guān)于管道圓心也呈120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布，且斷面中心處軸向速度最大.在旋流器后緣出口斷面處，軸向流速的最小值出現(xiàn)在導(dǎo)葉片附近靠近管壁位置.隨著距旋流器距離的不斷增大，螺旋流的強(qiáng)度逐漸衰減，對(duì)應(yīng)的軸向流速梯度也逐漸降低.

3) 當(dāng)斷面一定時(shí)，隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的不斷增大，斷面軸向流速的極小值的分布區(qū)域更加明顯.這表明該區(qū)域的軸向流速梯度逐漸增大，螺旋流的影響范圍更廣.

4) 1#斷面位于旋流器導(dǎo)葉片后緣位置處，當(dāng)導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角不同時(shí)，距離該斷面中心3cm位置處的軸向流速分布差異不明顯，但是在靠近管壁位置處的軸向流速分布變化較大，導(dǎo)葉扭轉(zhuǎn)角為10°的旋流器管壁附近軸向流速值較導(dǎo)葉扭轉(zhuǎn)角為15°的旋流器要大.在3#和5#斷面之間，管道中心線(xiàn)位置處的軸向流速分布變化差異較為顯著.隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的不斷增大，管道中心線(xiàn)位置處的軸向流速不斷減小.這主要是由于隨著扭轉(zhuǎn)角的逐漸增大，導(dǎo)葉片對(duì)軸向水流的阻礙作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致軸向流速值減?。欢^大的扭轉(zhuǎn)角則會(huì)使水流的周向速度值增大，可以認(rèn)為水流的部分軸向速度轉(zhuǎn)化為周向速度，因此，在旋流器影響范圍內(nèi)，隨著扭轉(zhuǎn)角的增大，管道中心線(xiàn)位置處的軸向流速值減小.隨著距旋流器距離的不斷增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)下游5#斷面之后，不同導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角旋流器下游斷面軸向速度值差異減小，軸向速度分布也基本趨于一致.這說(shuō)明距離旋流器越遠(yuǎn)的斷面，水流受到導(dǎo)葉片的影響越小，螺旋流的強(qiáng)度也逐漸降低，同時(shí)導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的變化對(duì)這些斷面的軸向流速分布影響也較小，下游各斷面的軸向流速分布差異逐漸減小.

圖5 旋流器下游斷面軸向流速分布

2.2 旋流器下游斷面的螺旋流周向流速特性

圖6為旋流器下游斷面的螺旋流周向流速分布(以三維等值線(xiàn)圖表示).從圖中可以看出：

1) 水流在旋流器導(dǎo)葉片的作用下會(huì)產(chǎn)生周向速度，而不同導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角度下各斷面軸向流速變化規(guī)律大致相同，即自管道壁面向管道中心位置軸向流速呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì).在管道中心區(qū)域和靠近管壁區(qū)域，周向流速的方向不同：在管道中心區(qū)域，周向流速呈逆時(shí)針?lè)较?；但在靠近管壁區(qū)域，周向流速呈順時(shí)針?lè)较?在旋流器出口的斷面處，靠近導(dǎo)葉片后緣位置處出現(xiàn)了順時(shí)針周向速度的最大值，而在靠近管道中心位置處出現(xiàn)了逆時(shí)針周向速度的最大值.同時(shí)周向流速最大值的大小和導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角有關(guān)，導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為15°的旋流器在導(dǎo)葉片后緣附近產(chǎn)生的順時(shí)針最大周向流速約為導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為10°時(shí)的2倍.導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為15°的旋流器在管道斷面靠近中心處產(chǎn)生的逆時(shí)針最大周向流速約為導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為10°時(shí)的1.5倍.由于導(dǎo)葉片在管道內(nèi)壁呈120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)布置，下游斷面的周向速度關(guān)于管道圓心也呈120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布.當(dāng)螺旋流向下游擴(kuò)散發(fā)展時(shí)，下游斷面的最大周向流速以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn).距離旋流器導(dǎo)葉片后緣較遠(yuǎn)的斷面，順時(shí)針周向流速的分布區(qū)域擴(kuò)散至全斷面，其周向流速整體減小.

2) 對(duì)于同一個(gè)下游斷面而言，隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的逐漸增大，斷面上螺旋流周向流速也逐漸增大.而旋流器對(duì)下游斷面的影響距離也隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的增大而逐漸增大.

圖6 旋流器下游斷面周向流速分布

2.3 旋流器下游斷面的螺旋流徑向流速特性分析

圖7為旋流器下游斷面的螺旋流徑向流速分布(以三維等值線(xiàn)圖表示).從圖中可以看出其分布規(guī)律：

圖7 旋流器下游斷面徑向流速分布

1) 旋流器導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角一定時(shí)，旋流器下游斷面的徑向流速?gòu)墓鼙谙驍嗝嬷行某尸F(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在管壁和斷面中心處趨于0.旋流器下游斷面處的徑向流速包括2個(gè)方向，即指向圓心和背離圓心，且這2個(gè)方向的徑向流速按等大小的扇形區(qū)域交錯(cuò)分布，一共有6個(gè)區(qū)域；沿水流方向，這6個(gè)區(qū)域在下游斷面呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn).相比于周向流速，徑向流速的最大值出現(xiàn)位置距離管壁更遠(yuǎn)，在距離管壁2cm左右，且其大小和導(dǎo)葉片的扭轉(zhuǎn)角有關(guān).導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為15°的旋流器在管壁附近產(chǎn)生的最大徑向流速約為導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為10°時(shí)的1.3倍.隨著距旋流器距離的不斷增大，螺旋流強(qiáng)度逐漸減小，徑向流速值也隨之減小.與周向流速相比，徑向流速值較小.

2) 當(dāng)下游斷面一定時(shí)，隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的不斷增大，徑向流速值也不斷增大，影響距離越來(lái)越遠(yuǎn).

2.4 旋流器下游斷面螺旋流最大周向流速沿程規(guī)律

經(jīng)上述分析發(fā)現(xiàn)，旋流器下游斷面的最大周向流速位于距離管壁1cm左右的位置，因此選取旋流器下游斷面距離管壁1cm的水平軸線(xiàn)上的周向流速來(lái)分析下游斷面螺旋流最大周向流速vw, max沿管段距離D的分布規(guī)律，如圖8所示.

圖8 旋流器下游測(cè)試斷面周向流速沿程變化

1) 當(dāng)流量保持不變時(shí)，不同導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角下最大周向流速沿程變化規(guī)律大致相同，即沿水流方向，最大周向速度呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì).這說(shuō)明水流在流經(jīng)旋流器導(dǎo)葉之后，螺旋流強(qiáng)度增強(qiáng)，從而使得周向流速值增大；之后隨著距旋流器距離的不斷增大，螺旋流強(qiáng)度又逐漸降低，水流軸向速度值也隨之降低.在距離旋流器導(dǎo)葉片后緣2m以前的管段內(nèi)，最大周向流速的衰減速率較大，在距離導(dǎo)葉片后緣2m處最大周向速度減小了1/2～2/3，衰減速率為55%；而當(dāng)距導(dǎo)葉片后緣的距離大于2m之后，最大周向速度的衰減速率減小.

2) 隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的不斷增大，下游各斷面的周向流速值也逐漸增大.導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為15°的旋流器所產(chǎn)生的最大周向流速是扭轉(zhuǎn)角為10°的旋流器的2.4倍.這主要是由于隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的增大，水流受到的起旋效果加劇，引起周向速度增大.從圖8中不難看出，導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角越大，對(duì)下游的影響范圍也越大：當(dāng)導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為10°時(shí)，在距離導(dǎo)葉后緣5m處周向流速值趨近于0；而導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角為15°的旋流器，在距離導(dǎo)葉后緣5.7m處周向流速值才趨近于0.

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角不同時(shí)，軸向流速的分布規(guī)律大致相同，即沿管道半徑從管道壁面向管道中心線(xiàn)方向軸向流速逐漸增大，且管道下游各斷面的流速分布不再符合對(duì)數(shù)分布的規(guī)律.管道中心線(xiàn)處的軸向流速值最大，而在靠近管壁附近區(qū)域的軸向流速最小.下游各斷面的周向和徑向流速變化趨勢(shì)相同，即沿管道半徑從管道中心向管壁面呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，只是二者速度最大值出現(xiàn)的位置不同：周向流速的最大值出現(xiàn)在距離管道壁面1cm左右的位置，徑向流速最大值則出現(xiàn)在距離管壁2cm左右的位置.

2) 在旋流器強(qiáng)度影響的范圍內(nèi)，隨著導(dǎo)葉片扭轉(zhuǎn)角的增大，螺旋流的影響距離就越遠(yuǎn).下游斷面產(chǎn)生的螺旋流的軸向流速隨著扭轉(zhuǎn)角的增大而減小，但下游斷面產(chǎn)生的螺旋流周向流速和徑向流速反而隨著扭轉(zhuǎn)角的增大而增大.管道中心位置和管壁附近的周向流速方向相反.導(dǎo)流條扭轉(zhuǎn)角越大，螺旋流衰減得越快，且在距旋流器導(dǎo)葉片后緣2m之前，螺旋流衰減較快，之后衰減較緩.

3) 文中研究了導(dǎo)葉片式旋流器下游斷面的螺旋流流速特性，分析了導(dǎo)葉片式旋流器的螺旋流影響范圍，為導(dǎo)葉片式旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及沿程安裝間隔距離提供了參考.同時(shí)，研究結(jié)果為進(jìn)一步研究螺旋流輸沙的輸送機(jī)理及輸沙水流的流動(dòng)特性提供了一定的理論依據(jù).