不同距徑比下管道后車環(huán)隙螺旋流脈動(dòng)強(qiáng)度特性

吳 劍，劉亞坤，孫西歡，李永業(yè)，張 帝，楊 姣

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024； 3.晉中學(xué)院，山西 晉中 030600)

1 研究背景

為了有效補(bǔ)充管道水力輸送技術(shù)，克服現(xiàn)有管道運(yùn)輸體系困難，孫西歡等[1]于2007年正式提出了筒裝料管道水力輸送的概念。在該輸運(yùn)方式中，物料密封于圓柱狀料筒內(nèi)，被水流推動(dòng)以實(shí)現(xiàn)空間輸送。這種新的輸運(yùn)方式有著諸如占地面積小、地形限制少、安全性能高、幾乎不受天氣影響、更節(jié)省人力等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，對(duì)該技術(shù)的研究集中在管道車的運(yùn)移特性和水流的水力特性方面。通過(guò)前人大量的研究，該技術(shù)有了很大進(jìn)展。在一定的輸運(yùn)條件下，平均車速與流量的變化規(guī)律保持一致[2]；管道車運(yùn)移最優(yōu)工況可通過(guò)直徑比和雷諾數(shù)等參數(shù)判定(重度比法、平均流速法、流速分布法)[3-4]；胡志毅等[5]、黃瑩彬等[6]、李永業(yè)等[7-8]對(duì)管道車的影響因素(荷載、車型、導(dǎo)流條安放角)進(jìn)行了分析，得出了管道內(nèi)水流特征與管道車參數(shù)之間的關(guān)系；張雪蘭等[9-10]通過(guò)試驗(yàn)分析了管道內(nèi)壁與管道車外壁處的壓力與速度分布情況，并對(duì)有限域內(nèi)的復(fù)合圓柱體繞流進(jìn)行了模擬，建立了柱狀體強(qiáng)擾動(dòng)范圍估算模型；Yang等[11]運(yùn)用COMSOL對(duì)平直管道內(nèi)管道車壁面上的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。在管道雙車研究方面，吳劍等[12-13]、馬成功等[14]分別對(duì)不同車間距和流量條件下環(huán)隙螺旋流的水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；張春晉等[15-16]基于流固耦合方法對(duì)管道雙車在運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。

目前，筒裝料管道水力輸送技術(shù)對(duì)于多個(gè)管道車的研究還相對(duì)較少，本文主要對(duì)同型管道雙車在不同距徑比下后車環(huán)隙水流軸向、垂向和橫向脈動(dòng)強(qiáng)度特征進(jìn)行了分析。該研究成果是對(duì)同心環(huán)狀縫隙流理論的補(bǔ)充與完善，也為實(shí)際工業(yè)化過(guò)程中管道列車調(diào)度提供參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)管道由多節(jié)內(nèi)直徑D=100 mm的有機(jī)玻璃圓管組成，并處于同一水平面內(nèi)(xOy平面)，離地面約1.5 m。試驗(yàn)時(shí)，離心泵將水從水箱下部抽出，經(jīng)調(diào)整后流入平直有機(jī)管道，并最終流回水箱，經(jīng)水箱內(nèi)的穩(wěn)流板后流入水箱下部，形成一個(gè)閉合循環(huán)回路。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示，管道雙車在管道內(nèi)的狀態(tài)如圖2所示。圖2中：l和d分別表示管道車圓柱狀料筒的長(zhǎng)度和直徑；L表示管道車總長(zhǎng)度；S表示雙車凈間距；D表示管道內(nèi)直徑。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of test system

圖2 管道雙車示意圖Fig.2 Schematic diagram of double-piped carriages

2.2 管道車

管道車由料筒、支撐體、導(dǎo)流條等組成。本次試驗(yàn)的雙車型號(hào)相同，料筒長(zhǎng)度l=150 mm，直徑d=70 mm，管道車總長(zhǎng)L=210 mm，在料筒兩端面處間隔120°各安裝了3個(gè)支撐體，導(dǎo)流條間隔120°并且錯(cuò)開(kāi)支撐體布置。導(dǎo)流條長(zhǎng)度150 mm，高度10 mm，厚度3 mm，安放角按照2°/cm的速度增長(zhǎng)，出水端總安放角30°。管道車結(jié)構(gòu)如圖3所示，導(dǎo)流條安放角如圖4所示。

圖3 管道車模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of piped carriage model

圖4 導(dǎo)流條安放角示意圖Fig.4 Schematic diagram of guide bar angle

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試斷面布設(shè)在管道車車身正中位置，按極坐標(biāo)劃分為12條極軸、5個(gè)測(cè)環(huán)，測(cè)環(huán)半徑R1—R5分別為47、44、42.5、41、38 mm，極軸與測(cè)環(huán)的交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of measuring points of test section

2.4 測(cè)試工況

雙車間距是本試驗(yàn)一個(gè)主要的控制因素，流體的水力特性和運(yùn)輸效率與管道車間距密切相關(guān)。本文定義距徑比SD為雙車間距S與管道內(nèi)直徑D之比(即SD=S/D)，試驗(yàn)共選取5個(gè)間距，其SD分別為1、3、5、7、9。本次試驗(yàn)的流量Q=30 m3/h，管道內(nèi)斷面平均流速V=1.06 m/s，水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)ν≈8.74×10-7m2/s，雷諾數(shù)Re=1.21×105，管段內(nèi)水流為湍流狀態(tài)。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

環(huán)隙內(nèi)水流速度由激光多普勒流速儀(LDV)進(jìn)行測(cè)定，采樣頻率f>200 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)t=15 s。試驗(yàn)測(cè)試段位于水槽處，定義軸向速度方向?yàn)樗鞣较?，橫向速度方向?yàn)樗矫鎯?nèi)垂直于水流方向，垂向速度方向垂直于管道平面方向，即圖1中的x、y、z3個(gè)方向，同向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)。

本文采用脈動(dòng)速度的均方根來(lái)表征水流脈動(dòng)強(qiáng)度的大小，脈動(dòng)強(qiáng)度的相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即算術(shù)平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)的計(jì)算公式分別見(jiàn)式(1)—式(4)。其中，平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差的單位均為m/s，變異系數(shù)無(wú)單位。

(1)

R=umax-umin,

(2)

(3)

(4)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度

從圖6來(lái)看，軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度雖有所波動(dòng)，但是波動(dòng)不大，沒(méi)有出現(xiàn)突增幅度較大的地方。隨著SD的增加，軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的分布略有平緩的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著SD的增加，管道內(nèi)水流在雙車之間滿管區(qū)域經(jīng)過(guò)了更長(zhǎng)距離的發(fā)展，進(jìn)入管道后車的水流更加平緩一些，使得水流軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的分布也更加平緩。環(huán)隙流區(qū)內(nèi)水流的軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度大致呈現(xiàn)出“外小內(nèi)大”的分布，這是由于環(huán)隙內(nèi)側(cè)的水流受到管道車的阻礙作用，水流出現(xiàn)繞流現(xiàn)象而進(jìn)行一定重分布，環(huán)隙內(nèi)側(cè)水流受到的管道車影響要比外側(cè)的大，使得內(nèi)側(cè)處的軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度要高于外側(cè)處的。

圖6 不同距徑比下軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.6 Distribution of axial velocity fluctuation intensity under different SD values

從圖7(a)可以看出：隨著SD的增加，測(cè)試斷面內(nèi)軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度大小在各個(gè)區(qū)間的比重變化不大，[0.2,0.23) m/s區(qū)間所占比重最大(36%)，[0.17,0.2) m/s區(qū)間次之(27%)，≥0.23 m/s的比重最小(2%)。從圖7(b)可以看出：平均值ˉu和極差R相對(duì)比較穩(wěn)定，分別維持在0.18、0.14 m/s左右。隨著SD的增加，軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)η都呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律，其中，σ從0.044 m/s減小到了0.035 m/s，減小了21%；η從0.23減小到了0.19，減小了17%。這是由于隨著SD的增加，管道前車對(duì)進(jìn)入后車環(huán)隙區(qū)域水流的擾動(dòng)影響逐漸減小。

圖7 不同距徑比下軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特征Fig.7 Statistical characteristics of axial velocity fluctuation intensity under different SD values

3.2 垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度

從圖8來(lái)看，環(huán)隙內(nèi)水流的垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度在局部位置有突增，其幅度大于軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度，這是由于環(huán)隙水流經(jīng)過(guò)支撐體結(jié)構(gòu)的擾流作用之后，在垂向方向上發(fā)展的時(shí)候受到導(dǎo)流條的阻礙作用，后車環(huán)隙區(qū)域的垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度在局部突然增大。垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度為0.012 m/s左右，垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度要比軸向的小1個(gè)數(shù)量級(jí)。水流在管道中的流動(dòng)主要表現(xiàn)為軸向流動(dòng)，而垂向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度要小于軸向的，其脈動(dòng)強(qiáng)度比軸向的要小。

圖8 不同距徑比下垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.8 Distribution of vertical velocity fluctuation intensity under different SD values

圖9 不同距徑比下垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特征Fig.9 Statistical characteristics of vertical velocity fluctuation intensity under different SD values

由圖9可知，隨著SD的增加，垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)η呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律，σ從0.015 m/s減小到了0.011 m/s，減幅達(dá)27%，η從0.85減小到了0.64，減幅達(dá)25%。隨著SD的增加，表征水流脈動(dòng)離散程度的2個(gè)統(tǒng)計(jì)量都逐漸減小，說(shuō)明隨著SD的增加，環(huán)隙垂向水流的均勻程度逐漸增加。垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的η大約是軸向的3倍，表明垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度雖然比軸向的要小，但是其離散程度比橫向的要大。

3.3 橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度

從圖10來(lái)看，橫向和垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度分布非常類似，其在局部位置也有突增，增加的幅值與垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度突增的幅值為同一個(gè)量級(jí)，且都要小于軸向脈動(dòng)速度強(qiáng)度的幅值。隨著SD的增加，三維速度脈動(dòng)強(qiáng)度離散程度均有所降低，脈動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)突增的位置和大小可能與管道車兩端面處的支撐體結(jié)構(gòu)有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。

圖10 不同距徑比下橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.10 Distribution of lateral velocity fluctuation intensity under different SD values

圖11 不同距徑比下橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特征Fig.11 Statistical characteristics of lateral velocity fluctuation intensity under different SD values

與垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度類似，隨著SD的增加，橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)η也呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律，且表征離散程度的各統(tǒng)計(jì)特征量與垂向速度的也基本相同。σ從0.015 m/s減小到了0.011 m/s，減幅達(dá)26%；η從0.80減小到了0.62，減幅達(dá)22%。這些均表明環(huán)隙內(nèi)水流垂向與橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度特征基本一致。

3.4 較優(yōu)距徑比

筒裝料管道水力輸送過(guò)程中，管道車之間的車間距是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。間距太小，管道前車對(duì)管道內(nèi)的水流擾動(dòng)劇烈，導(dǎo)致管道后車可能出現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，影響運(yùn)行安全；間距太大，則物料運(yùn)輸效率不高，經(jīng)濟(jì)上不劃算。

表1 不同距徑比下σ、η下降百分比Table 1 Decrease percentages of σ and η under different SD values

從表1可知：隨著SD的增加，參數(shù)σ和η的下降基本呈現(xiàn)“先快后慢”的變化規(guī)律。不論何種SD下，軸向、垂向和橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的σ和η下降百分比均<10%。當(dāng)SD>5時(shí)，軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的σ和η下降百分比都<5%；當(dāng)SD>7時(shí)，垂向和橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的σ和η的下降百分比均<5%。雖然繼續(xù)增大SD能一定程度地減小水流的離散程度，但減小的幅度十分有限。兼顧運(yùn)行安全和輸送效率，管道雙車較優(yōu)的SD為5～7左右。

4 結(jié) 論

(1)管道雙車運(yùn)行的較優(yōu)SD值為5～7。

(2)軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度雖有波動(dòng)，但幅度不大，隨著SD的增加，ˉu和R基本保持穩(wěn)定，σ和η都呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律。

(3)垂向速度脈動(dòng)強(qiáng)度與橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的各統(tǒng)計(jì)特征量基本保持一致，垂向與橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度特征相似。

(4)無(wú)論何種SD值，垂向和橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度都比軸向脈動(dòng)強(qiáng)度小1個(gè)量級(jí)，但其η值約為軸向的3倍。

(5)隨著SD的增加，垂向和橫向速度脈動(dòng)強(qiáng)度的σ和η呈現(xiàn)逐漸減小的變化規(guī)律。