不同雷諾數(shù)條件下靜止管道車環(huán)狀縫隙流場(chǎng)數(shù)值模擬

賈曉萌，孫西歡，李永業(yè)

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

傳統(tǒng)運(yùn)輸方式漸漸難以滿足人們高速、便捷、綠色環(huán)保的發(fā)展理念，因此探尋高效、環(huán)保、節(jié)能的新型運(yùn)輸方式勢(shì)在必行。基于此背景提出筒裝料管道水力輸送技術(shù)[1]。筒裝料管道水力輸送是以密閉容器為載體(一般為圓形料筒)，以水為媒介，利用水壓力將物體輸送到目的地的一種新型運(yùn)輸方式[2]。當(dāng)管道車在管道中處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，水流流經(jīng)管道車車體和支撐體屬于類圓柱體繞流問(wèn)題[3-7]，而管道車車身壁面和管壁面形成的環(huán)狀縫隙又屬于環(huán)狀縫隙流問(wèn)題[8-9]，由于黏性阻力的存在管道車車壁面處形成邊界層，屬于靜邊界層問(wèn)題[10-12]，當(dāng)管道車在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)則又涉及到動(dòng)邊界和流固耦合等問(wèn)題[13-20]，同時(shí)筒裝料管道輸送技術(shù)還涉及自動(dòng)化、交通運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題。因此，加強(qiáng)對(duì)筒裝料管道水力輸送技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)筒裝料管道水力輸送展開(kāi)了研究。Mohamed等[21]分別運(yùn)用代數(shù)模型、k～ω和k～ε模型對(duì)長(zhǎng)直車體與管道形成的環(huán)狀縫隙內(nèi)的壓力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)物理試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果基本一致；Asim等[22]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)的管道車所產(chǎn)生的壓力場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)豎直運(yùn)動(dòng)的管道車環(huán)狀縫隙內(nèi)的壓力梯度變化要大于水平運(yùn)動(dòng)；鄭偉[23]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度的管道車周身的環(huán)狀縫環(huán)隙螺旋流進(jìn)行研究，得出了管道車車身不同斷面的壓力變化和流速分布；吳劍等[24]對(duì)不同直徑條件下的管道車車身環(huán)狀縫隙流軸向速度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著車徑的增加，環(huán)狀縫隙流軸向速度增大且分布逐漸變得均勻；魯一凡等[25]對(duì)不同縫隙寬度條件下的車后斷面軸向流速進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)狀縫隙寬度的增加，車后斷面軸向流速變化幅度逐漸降低，且隨著距離車后斷面距離的增大，環(huán)狀縫隙流軸向速度逐漸降低并趨于斷面平均流速。

當(dāng)管道車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，環(huán)狀縫隙內(nèi)的流速分布和壓力分布會(huì)對(duì)管道車的啟動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，而雷諾數(shù)的大小又直接影響了環(huán)狀縫隙內(nèi)流速和壓力的變化。因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)不同雷諾數(shù)條件下靜止管道車環(huán)狀縫隙流場(chǎng)進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步豐富管道車環(huán)狀縫隙流理論，為筒裝料管道水力輸送技術(shù)盡快實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

1.1 控制方程

數(shù)值模擬過(guò)程中假設(shè)流體為不可壓縮黏性流體，則其連續(xù)方程(公式(1))和N-S方程(公式(2))如下：

(1)

(2)

由于管道內(nèi)環(huán)狀縫隙流為湍流，而對(duì)于充分發(fā)展的高雷諾數(shù)湍流，使用RNGk～ε湍流模型較為合適，其相關(guān)方程如下：

(3)

(4)

1.2 幾何模型尺寸和相關(guān)邊界條件

模型尺寸越接近于實(shí)際尺寸，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度越高，同時(shí)為了減小運(yùn)算量，在確保計(jì)算精確度的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，通過(guò)Auto CAD軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，再將其導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕ü艿儡嚭蛨A形管路兩部分(如圖1所示)。管道車作為本次數(shù)值模擬的核心部件主要由圓柱形料筒和類圓柱形支撐體兩部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。管道由內(nèi)徑為0.1 m、長(zhǎng)度為2 m的有機(jī)玻璃管組成。管道車中心距離入口和出口的距離均為1 m(考慮到紊流的充分發(fā)展)。同時(shí)以水流流動(dòng)方向?yàn)檎较?，按照管道車與水流先后接觸順序?qū)⒐艿儡囓嚿淼确譃檐嚽啊④囍?、車后三個(gè)斷面。

圖1 幾何模型

(a)管道車物理模型

根據(jù)公式v=Re·μ/ρd，分別求解不同雷諾數(shù)條件下的管道內(nèi)水流平均流速，并將其作為速度入口的值代入計(jì)算模型。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到不同雷諾數(shù)條件下的管道出口處壓力值，分別將其代入計(jì)算模型。

1.3 網(wǎng)格劃分

本次試驗(yàn)采用1∶1等比例構(gòu)建模型，由于管道車兩端有支撐體存在，使得管道車整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為了提高試驗(yàn)計(jì)算精度，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三個(gè)部分，即管道上游區(qū)域、管道車區(qū)域和管道下游區(qū)域，分別對(duì)這三部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于管道上游和下游區(qū)域內(nèi)無(wú)管道車的存在，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在網(wǎng)格劃分時(shí)所用尺寸相對(duì)較大，采用4 mm非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而管道車區(qū)域則采用1.5 mm的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。同時(shí)由于管道車自身結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)環(huán)隙流場(chǎng)產(chǎn)生影響，為了計(jì)算的準(zhǔn)確度，對(duì)管道車近壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密，壁面到第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的距離為0.1 mm，共5層，層間遞變梯度為1.2。

1.4 算法選擇

由于SIMPLEC算法具有精度高、穩(wěn)定性好、計(jì)算速度相對(duì)較快等優(yōu)點(diǎn)，因此本次模擬的壓力與速度耦合使用SIMPLEC算法。對(duì)流項(xiàng)采用二階差分格式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式。各項(xiàng)收斂精度設(shè)置為0.000 1。

2 物理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3和圖4所示。試驗(yàn)開(kāi)始前先將試驗(yàn)水箱9注滿水，并加入示蹤粒子，之后將管道車固定于測(cè)試管段7，通過(guò)離心泵1將水箱中的水抽入管道當(dāng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)閥2和電磁流量計(jì)3調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需流量，待管路內(nèi)水流穩(wěn)定之后，使用LDV激光流速儀進(jìn)行測(cè)試，記錄相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。

1.離心泵; 2.調(diào)節(jié)閥; 3.電磁流量計(jì); 4.管道車投放裝置; 5.管道車制動(dòng)裝置; 6.電子計(jì)算機(jī); 7.試驗(yàn)管段; 8.LDV激光流速儀; 9.試驗(yàn)水箱。

圖4 試驗(yàn)管路和測(cè)試系統(tǒng)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)所用管道車尺寸為150 mm× 80 mm(長(zhǎng)×直徑)，沿管道車車身方向每隔30 mm設(shè)置一個(gè)斷面，共設(shè)置6個(gè)斷面，在每個(gè)斷面上分別布置測(cè)點(diǎn)。管道車與管壁之間形成同心環(huán)狀縫隙，縫隙寬度L=10 mm，沿管徑方向分別布置五個(gè)測(cè)環(huán)，如圖5所示。沿直角坐標(biāo)系順時(shí)針?lè)较蛎扛?0°做管道半徑(后稱極半徑)與測(cè)環(huán)相交，交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)，共布置六十個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖5 斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 試驗(yàn)方案

本文研究不同雷諾數(shù)條件下管道車環(huán)狀縫隙流流速分布狀況，同時(shí)為便于物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，所選雷諾Re分別為：Re1=115 513、Re2=154 018、Re3=192 522，對(duì)應(yīng)流量為30 m3/h、40 m3/h、50 m3/h，進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)閘閥來(lái)改變流量大小，之后通過(guò)LDV激光流速儀對(duì)不同雷諾數(shù)下管道車環(huán)狀縫隙流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。具體試驗(yàn)方案，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

3 結(jié)果分析

3.1 環(huán)狀縫隙流流速特性分析

本次試驗(yàn)對(duì)三種不同雷諾數(shù)下的管道車環(huán)狀縫隙流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，管道內(nèi)流速、環(huán)狀縫隙流流速以及前后支撐體斷面流速值如表2所示，同時(shí)選取雷諾數(shù)為Re2=154 018時(shí)的車前、車中和車后斷面以及前后支撐體斷面的三維速度分布云圖(如圖6所示)進(jìn)行分析研究，其它雷諾數(shù)不做重復(fù)贅述。

表2 不同雷諾數(shù)下平均流速

(a)車前斷面

從表2可以看出：當(dāng)雷諾數(shù)一定時(shí)，環(huán)狀縫隙內(nèi)水流平均流速大于管道內(nèi)水流平均流速，且前后支撐體斷面處的平均流速也大于管道內(nèi)的平均流速，這主要是由于當(dāng)水流流經(jīng)支撐體斷面和環(huán)狀縫隙斷面時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小，根據(jù)連續(xù)性方程A1V1=A2V2可知，當(dāng)斷面面積變小時(shí)，流速相應(yīng)增大，由于環(huán)狀縫隙斷面面積遠(yuǎn)小于管道斷面面積，從而使得環(huán)狀縫隙流流速增大，前后支撐體斷面較管道斷面略小而大于環(huán)狀縫隙斷面面積，使得流經(jīng)前后支撐體斷面處的平均流速大于管道內(nèi)平均流速而小于環(huán)狀縫隙流平均流速。隨著雷諾數(shù)的增大，管道內(nèi)水流平均流速、前后支撐體斷面處平均流速以及環(huán)狀縫隙內(nèi)水流平均流速均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)。這主要是由于隨著雷諾數(shù)的增大，圓管水流流速也逐漸增大，依據(jù)連續(xù)性方程，環(huán)狀縫隙流流速也相應(yīng)增大。

從圖6可以看出：同一雷諾數(shù)條件下，管道車車前、車中和車后三個(gè)斷面的流速分布大致相同，均以管道中心成同心圓分布，即半徑相等的圓環(huán)上環(huán)狀縫隙流流速大致相等。從圖6還可以看出，對(duì)于車前、車中和車后斷面而言，靠近管壁和管道車壁面處的流速基本為0，而環(huán)狀縫隙中部位置處流速較大，即沿管道半徑方向，從管道車車壁面到管壁面環(huán)狀縫隙流流速呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)楣艿儡嚭蛨A管固定不動(dòng)，車身壁面和管壁處的流速為零，同時(shí)由于黏性阻力的存在導(dǎo)致靠近管道車車壁和管壁處的水流流速較小，隨著離管道車壁面和管道壁面的距離逐漸增大，環(huán)狀縫隙流所受束縛作用逐漸減小，環(huán)狀縫隙流流速也逐漸增大，在靠近環(huán)狀縫隙中央位置處環(huán)狀縫隙流流速達(dá)到最大。

從圖6車前、車后支撐體斷面的速度分布云圖可以看出：前后支撐體斷面處水流均呈現(xiàn)同心環(huán)狀分布，即沿管道半徑方向，自管道中心位置向管壁面流速呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，且在到達(dá)支撐體附近區(qū)域時(shí)流速值達(dá)到最大。這主要是由于支撐體距離管道車端面較近，管道車前后端面對(duì)水流起到阻礙作用，使得靠近該區(qū)域的水流流速值較低，而由于支撐體頂端與管道壁面存在微小縫隙，水流在流過(guò)支撐體頂部時(shí)，發(fā)生類圓柱體繞流現(xiàn)象，且斷面急速收縮流線在此處被急速壓縮并發(fā)生一定彎折，使得水流速迅速增大。從圖6中還能觀察到車后支撐體斷面流速變化較車前支撐體斷面劇烈，且車后支撐體斷面在靠近管道壁面附近存在一個(gè)水流高速區(qū)，而車前支撐體斷面在靠近管壁附近流速分布則相對(duì)緩和，這主要是由于水流在剛接觸車前支撐體而未進(jìn)入縫隙時(shí)流速較小，且在管道中分布較為均勻，在車前支撐體處雖也產(chǎn)生了繞流，但流速變化相對(duì)較?。欢鴮?duì)于車后支撐體，當(dāng)水流自環(huán)狀縫隙流出時(shí)，流速已遠(yuǎn)大于管道內(nèi)水流平均流速，由于支撐體距離車后斷面距離較近，水流還未充分?jǐn)U散流速也還未變小，所以在接觸到車后支撐體且發(fā)生繞流時(shí)，水流速依然很大，從而使得車后支撐體附近的流速要大于車前支撐體。由此可知，支撐體附近的流場(chǎng)分布變化更加復(fù)雜，且支撐體的存在對(duì)車前、車后斷面以及環(huán)狀縫隙內(nèi)的流場(chǎng)分布都起到一定的影響作用，因此加強(qiáng)對(duì)支撐體附近流場(chǎng)的研究分析，可為支撐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。

為了進(jìn)一步分析環(huán)狀縫隙流沿車身的變化規(guī)律，選取雷諾數(shù)Re2=154 018時(shí)的管道縱斷面進(jìn)行研究，如圖7所示。

圖7 雷諾數(shù)Re2=154 018時(shí)管道縱斷面流速分布云圖

圖7為管道軸線所在縱斷面，從圖中可以看出：水流在管道中流動(dòng)且未到達(dá)車前斷面時(shí)，水流速度相對(duì)較小，當(dāng)水流到達(dá)管道車前端時(shí)，由于管道車靜止不動(dòng)，對(duì)水流起到阻礙作用，端面近壁面處流速減小，水流流入環(huán)狀縫隙時(shí)，在環(huán)狀縫隙入口處流速突然增大，之后沿車身方向水流流速逐漸降低，當(dāng)水流接近管道車車后斷面位置時(shí)，水流流速又稍稍增大，這與上文的分析相一致，通過(guò)物理試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一結(jié)論。水流流出環(huán)狀縫隙后在車后支撐體處流速又再次增大。當(dāng)水流離開(kāi)管道車后，靠近管道壁面的水流流速并未迅速減小到管內(nèi)平均流速大小，而是沿管道壁面向下游擴(kuò)散一定距離之后逐漸趨于穩(wěn)定，最終恢復(fù)到管道內(nèi)平均流速大小。從圖7中還可以看出當(dāng)水流流出環(huán)狀縫隙后，在距車后端面不遠(yuǎn)處出現(xiàn)一個(gè)流速稍大的圓形區(qū)域，這主要是由于水流流出環(huán)狀縫隙后，部分水流向管道中心位置擴(kuò)散，同時(shí)由于部分水流回流向端面，在靠近管道車端面附近形成漩渦，從局部矢量圖中能觀測(cè)出在車后端面處有上下兩個(gè)漩渦，上部漩渦成順時(shí)針?lè)较?，下部漩渦成逆時(shí)針?lè)较?，上下漩渦的水流在管道中心位置處相交匯，且速度方向相同均朝向管道車車后端面，進(jìn)而使得該位置處的水流流速增大；而隨著距離管道車端面距離的不斷增大，漩渦逐漸消失，管道中心位置處的水流也漸漸恢復(fù)到管道內(nèi)平均流速的大小。

3.2 壓強(qiáng)特性分析

為對(duì)管道內(nèi)壓強(qiáng)變化進(jìn)行研究，選取雷諾數(shù)Re3=192 522時(shí)0°極軸位置處管道縱斷面沿程壓強(qiáng)分布云圖進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 沿程壓強(qiáng)分布云圖

從圖8中可知：管道車上游位置處壓強(qiáng)值較大，而管道車車身周圍壓強(qiáng)值較小，靠近管道車車后斷面位置處壓強(qiáng)值也較小，而隨著距管道車車后斷面距離的增加壓強(qiáng)值又逐漸增大；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在環(huán)狀縫隙入口和車后支撐體附近處出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)。為了更加準(zhǔn)確分析沿程壓強(qiáng)變化情況，繪制不同雷諾數(shù)下沿程壓強(qiáng)變化曲線，如圖9所示。

Re1=115 513

圖9中橫坐標(biāo)為0的位置表示管道車中心位置，0刻度左側(cè)數(shù)字表示管道車中心距上游速度入口的距離，0刻度右側(cè)數(shù)字表示管道車中心距壓力出口的距離。從圖9可以看出：① 不同雷諾數(shù)條件下，管道內(nèi)壓強(qiáng)值沿程變化的趨勢(shì)大致相同，即從上游入口處到管道車車前斷面壓強(qiáng)值較大且沿程逐漸降低，而在管道車車前斷面處壓強(qiáng)值迅速降低，之后在車后斷面處壓強(qiáng)值又開(kāi)始逐漸升高，待壓強(qiáng)值增大到一定程度后又沿程逐漸降低，只是降低的幅度較小。這主要是由于在管道車上游位置處水流流速變化較小即動(dòng)能變化不大，同時(shí)由于阻力的存在，造成部分能量的損失，根據(jù)能量方程可知，管道內(nèi)壓能也隨之降低，即壓強(qiáng)值沿程降低；當(dāng)水流到達(dá)環(huán)狀縫隙后，水流流速急速增大，使得動(dòng)能瞬間增大，此時(shí)壓能隨之迅速降低，因此壓強(qiáng)值在管道車車前斷面處突然降低，甚至出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)；當(dāng)水流流出環(huán)狀縫隙之后，由于水流擴(kuò)散導(dǎo)致流速降低，此時(shí)壓強(qiáng)值開(kāi)始升高，隨著距車后斷面距離的增加，水流流速逐漸趨于穩(wěn)定，壓強(qiáng)值也逐漸達(dá)到最大，之后由于沿程水頭損失，壓能逐漸降低，壓強(qiáng)值又開(kāi)始沿程減小。② 隨著雷諾數(shù)的增大，管道車上游斷面、環(huán)狀縫隙內(nèi)以及管道車下游斷面的壓強(qiáng)值均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，只是上游斷面的增加值大于環(huán)狀縫隙內(nèi)和下游斷面，且環(huán)狀縫隙內(nèi)部壓強(qiáng)值隨雷諾的變化相對(duì)較小。同一雷諾數(shù)條件下，管道車上游位置處壓強(qiáng)值大于下游和環(huán)狀縫隙內(nèi)部壓強(qiáng)值，這主要是由于管道車在管道內(nèi)固定不動(dòng)，對(duì)水流起到了擁堵作用，進(jìn)而使得上游壓強(qiáng)值增大；而在環(huán)狀縫隙內(nèi)部，壓強(qiáng)呈現(xiàn)出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，這主要是由于水流流速在環(huán)狀縫隙內(nèi)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，動(dòng)能也呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，進(jìn)而使得壓能呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

3.3 渦特性分析

旋渦的存在是造成管道內(nèi)能耗損失的一個(gè)重要原因，同時(shí)由于靜止管道車車身軸線與水流方向平行，這與傳統(tǒng)的圓柱軸線與水流垂直的繞流形式不同，存在區(qū)別和差異。因此，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)不同雷諾數(shù)下的渦量特性進(jìn)行分析，其渦量分布云圖，如圖10所示。

圖10 不同雷諾數(shù)下0度極軸位置處縱斷面渦量分布云圖

從圖10中可以發(fā)現(xiàn)：① 車前與車后斷面附近渦量值較高，這主要是由于在環(huán)狀縫隙進(jìn)口處發(fā)生圓柱繞流，且車前斷面收縮變小使得流速迅速增大，其動(dòng)能也迅速增大，根據(jù)能量方程車前斷面處壓能減小，水流由高壓區(qū)壓向低壓區(qū)，在車前斷面靠近管道車壁面處形成漩渦，由于車前斷面流速較大使得水流混摻劇烈程度增大，渦量值也隨之增大。而對(duì)于車后斷面，由于該處斷面面積突然擴(kuò)大，水流流速降低，動(dòng)能也隨之降低，壓能隨之升高，此處水流被壓向低壓區(qū)，在靠近出口斷面的低壓區(qū)附近水流相互混摻形成漩渦，使得縫隙出口處渦量值變大。前后支撐體附近渦量值也較大，這主要是因?yàn)樵谇昂笾误w附近發(fā)生經(jīng)典圓柱體繞流現(xiàn)象，使得該處的水流混摻效果增強(qiáng)，導(dǎo)致渦量增大。② 隨著雷諾數(shù)的變化，在縫隙進(jìn)口端和出口端并未觀察到明顯的脫渦現(xiàn)象，支撐體附近雖然發(fā)生了繞流但也未形成脫渦，這主要是由于環(huán)狀縫隙進(jìn)出口與管道壁面形成有限封閉區(qū)間，限制了渦的發(fā)展。③ 隨著雷諾數(shù)的增大，渦量值也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這主要是由于雷諾數(shù)增大，水流流速相應(yīng)增大，水流之間的相互混摻變的更加劇烈，能量耗散也增大，相應(yīng)的渦量值增大。

3.4 數(shù)值模擬驗(yàn)證分析

通過(guò)對(duì)比模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選取車前斷面0°極軸位置處不同極半徑的速度實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示。

從圖11看出，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值在模擬值上下浮動(dòng)，通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬和試驗(yàn)實(shí)測(cè)環(huán)狀縫隙流流速進(jìn)行計(jì)算，得出二者的最大相對(duì)誤差不超過(guò)7%。從圖11還可以看出，無(wú)論是數(shù)值模擬還是模型試驗(yàn)，隨著雷諾數(shù)增加，同一極半徑處環(huán)狀縫隙流流速也呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)；當(dāng)雷諾數(shù)一定時(shí)，隨著極半徑的增大，環(huán)狀縫隙流流速呈現(xiàn)出先增大后減小的變化形式；為進(jìn)一步探究環(huán)狀縫隙流的分布規(guī)律，對(duì)不同雷諾數(shù)下環(huán)狀縫隙流流速模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行公式擬合，如表3所示。

圖11 環(huán)狀縫隙流流速模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比示意圖

表3 環(huán)狀縫隙流速度擬合

通過(guò)表3可知，環(huán)狀縫隙入口處水流流速分布呈二次拋物線形式，而管道內(nèi)無(wú)管道車時(shí)的水流按對(duì)數(shù)規(guī)律分布，兩者存在一定的差異。水流在環(huán)狀縫隙內(nèi)的流速可分解為三個(gè)方向，即沿管道軸線的軸向速度、沿管道橫斷面圓周切線方向的周向速度以及沿管道半徑方向的徑向速度，為進(jìn)一步對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選取90°極軸、極半徑45 mm位置處，在不同雷諾數(shù)下沿管道車車身方向環(huán)狀縫隙流的軸向、周向和徑向流速進(jìn)行分析，如圖12所示。

從圖12可以看出，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值較為接近，兩者最大相對(duì)誤差不超過(guò)8%，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)規(guī)定軸向速度沿水流方向?yàn)檎?，周向速度沿測(cè)環(huán)切線逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎瑥较蛩俣纫员畴x管道斷面圓心方向?yàn)檎?，則從圖12(a)可以發(fā)現(xiàn)，在同一雷諾數(shù)情況下，隨著車身長(zhǎng)度的增加，環(huán)狀縫隙流軸向速度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且在車前位置處流速最大，這與環(huán)狀縫隙流流速整體分布大致相同，同時(shí)隨著雷諾數(shù)的增大，環(huán)狀縫隙流軸向流速也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但在不同雷諾數(shù)條件下，沿管道車車身方向軸向流速的整體變化趨勢(shì)大致相同。從圖12(b)可以看出，同一雷諾數(shù)條件下，徑向速度沿車身方向呈現(xiàn)出先減小再增大最后再減小的趨勢(shì)；徑向速度有正負(fù)，表明徑向速度沿管道半徑有指向圓心和背離圓心兩個(gè)方向；在車前斷面徑向速度達(dá)到最大，且徑向速度為正，表明車前斷面徑向速度背離圓心方向，這主要是由于水流進(jìn)入環(huán)狀縫隙時(shí)，在車前斷面處發(fā)生繞流現(xiàn)象，水流在該處被壓縮然后擠向管道壁面，從而產(chǎn)生背離管道圓心的徑向速度；隨著車身長(zhǎng)度的增加，徑向速度逐漸趨于零，這主要是由于水流進(jìn)入環(huán)狀縫隙之后逐漸趨于穩(wěn)定，流線與管道軸線近乎平行，從而使得沿半徑方向的速度分量減小，即徑向速度變小。從圖12(c)發(fā)現(xiàn)，較軸向、徑向流速相比，周向速度分布規(guī)律性較差沿車身方向變化較為激烈，且周向速度值也較?。恢芟蛩俣戎涤姓胸?fù)，表明周向速度沿?cái)嗝鎴A周切線呈順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向。

(a)軸向速度

4 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)不同雷諾數(shù)條件下靜止管道車環(huán)狀縫隙流流速特性進(jìn)行了研究，所得結(jié)論如下：

(1)同一雷諾數(shù)條件下，車前斷面環(huán)狀縫隙流流速大于車中和車后斷面，即沿車身方向，環(huán)狀縫隙流呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)；隨著雷諾數(shù)的增加，車身環(huán)狀縫隙流速呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)。

(2)不同雷諾數(shù)條件下，管道內(nèi)壓強(qiáng)值沿程變化趨勢(shì)大致相同，即在上游段壓強(qiáng)值沿程降低，在環(huán)狀縫隙內(nèi)部壓強(qiáng)值沿程先增大后減小，在下游段壓強(qiáng)值先增大后逐漸降低；隨著雷諾數(shù)的增加，管道內(nèi)壓強(qiáng)值也呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。

(3)車前支撐體附近流速小于車后支撐體，車前和車后支撐體斷面流場(chǎng)仍呈同心圓環(huán)狀分布。車前和車后斷面附近渦量值較大，且在支撐體和車后斷面處并未觀察到脫渦現(xiàn)象，隨著雷諾數(shù)的增大，渦量值也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

(4)環(huán)狀縫隙流流速成二次拋物線形式分布，且環(huán)狀縫隙流軸向流速遠(yuǎn)大于周向和徑向流速。

(5)物理模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果最大相對(duì)誤差不超過(guò)7%，即通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究不同雷諾數(shù)下的環(huán)狀縫隙流流速特性是可行的。

通過(guò)對(duì)靜止管道車環(huán)狀縫隙流場(chǎng)進(jìn)行研究，進(jìn)一步豐富管道水力輸送理論，同時(shí)有助于優(yōu)化管道車模型結(jié)構(gòu)，而對(duì)于管道車靜止?fàn)顟B(tài)下的壓強(qiáng)分布和能量耗散還有待進(jìn)一步研究。