筒装料管道水力输送环隙流场特性试验研究

张雪兰，孙西欢，李永业

(太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

0 引 言

管道水力输送是一种区别于航海船舶输送的特殊水运物流方式，以其安全、节能、环保等优势成为交通运输的重要组成部分。其中，大尺寸物块管道水力运输作为不同于浆体管道水力输送的新型的管道输送方式，是一种特殊的固液两相运动方式。常见的有囊体管道水力输送以及筒装料管道水力输送等。

囊体管道水力输送研究表明流量、囊体形状以及输送流体浓度是影响输送效率的重要因素[1-2]。筒装料管道水力输送管道车模型是对囊体管道输送的改进和创新[3]，具有输送物料多样性等明显优势。大量理论研究以及试验研究表明管道车运行过程中，车型、荷载、输送流量等运行条件的改变引起管道车运动特性的变化，结果表明车体直径以及车长的增加，荷载的减小均会引起车体运行速度的提高[4-5]。输送流量与管道车运移速度之间存在一次线性关系，流量增大，车速相应提高，并且，输送流量相对于其他影响因素而言，对管道车速度影响最为明显；同时流量的增大带来管道沿程压力降的增大，增加了输送能耗[6]。管道车运行过程中，车体周围流场包括车前、车后以及车身流场，运行条件的不同使得各部分流场分布存在差异性，车后流场轴向速度研究表明随输送流量的增加，同一管道横断面速度平均值增大，且分布梯度较大[6]，而对车前流场以及车身周围环隙流场的研究相对较少。笔者将就不同水流流量控制条件下，管道车在运移过程中车身周围环隙流场水力特性进行试验研究。

筒装料管道水力输送是将装有物料的柱状管道车置于运动水流圆形管道内，借助水流的运动推动管道车运动，从而达到物料空间输送的过程。管道车车体前后两端分别布置了间隔120°的辐射状支脚，起到了支撑车体的作用，并形成了以管道横断面中心和车体断面中心为轴的同心环状缝隙流。管道车运动过程中，管道车的移动使得环隙流成为动边界水流问题[7]。不同水流流量条件下缝隙流流场压力和速度会呈现不同的分布，对管道车产生不同的作用。

笔者以车长100 mm，直径60 mm(记为型号100×60)的管道车在30，40，50，60，70 m3/h等5个流量条件下运移，着力对不同流量条件下平直管段环隙流场水力特性进行试验研究。研究成果为管道车合理运行条件的设置以及运移速率的提高提供参数支持。

1 试验设备

1)管道车。管道车模型包括圆柱状车体和端面支脚两部分，车体由长 100 mm、直径60 mm的有机玻璃管制成，内部空腔成为料仓完成不同物料的储运；端面支脚为呈间角120°辐射状分布的3个直径10 mm圆柱构成，实现对车体的支撑作用，使得管道车为同心运动，环隙流为同心环缝隙流，管道车模型如图1。

图1 管道车模型示意Fig.1 The pipeline carriage model diagram

2)管道系统。试验管道系统包括动力装置、入车装置、接车装置以及输送管路。动力装置将水从水源水库泵入输送管路；入车装置为一沿水流方向斜置的制动阀，能够实现按需开启，待管道车送入管路后完成密封，并尽可能的减小对水流的影响；接车装置为一内置缓冲海绵、底板带排水孔的水槽，满足车水分离的要求，并能完成水回流至水源水库；管路系统由内径100 mm的不锈钢管和有机玻璃管间隔组成，管道系统模型见图2。

图2 试验管道系统示意Fig.2 The experimental pipeline system diagram

3)测试仪器。试验采用七孔测针完成对环隙压力的测试，并经仪器配套计算公式运算得到流场三维速度值，仪器测量具有较好的可靠性。

2 试验设计

采用车长100 mm，直径60 mm的管道车进行试验，管道车荷载为750 g，试验水流流量为30，40，50，60，70 m3/h。沿车身长度方向布置3个测试断面，分别位于圆柱状车体两端和车身正中位置，沿管道水流方向分别命名为车后、车中以及车前断面，各测试断面测点布置相同。同一断面内沿半径为34，38，42，46 mm四测环布置，以测试断面圆心为坐标原点建立极坐标系，测点坐标见表1。

表1 测点坐标

Table 1 Measuring point coordinates

3 试验结果分析

3.1 不同流量条件下车中断面环隙流场压力变化

直径60 mm的管道车运行过程中产生环隙宽度为20 mm。在环隙断面测点中选取8个测点绘制其压力值随流量变化的曲线，如图3。并以此为例来说明环隙断面压力随流量的变化关系。由图3可以看出，随着流量的增大，环隙断面内压力值呈现总体增大的趋势，这是由于水流流量作为管道车运动的主要动力，其增大必然带来压力的整体上升。

图3 压力值随流量变化曲线Fig.3 Curves of pressure value changing with the flow change

3.2 不同流量条件下车中断面环隙流场速度变化

3.2.1 轴向速度分布

轴向速度为沿管道与管道车同心轴方向的速度，速度方向垂直于环隙横断面。图4为环隙断面上，各测点在不同测试水流流量下轴向速度分布。

由图4可以看出，随着流量的增大，断面轴向速度分布呈现总体增大的趋势，但由于管道车运动过程中，车体周围水流为紊流状态，导致环隙内各测点轴向速度并非随着流量的增大呈现一致增长的趋势。此外，管道车车端支脚的存在会产生绕流，由于流场再分布时间较短，车体测试断面环隙轴向速度场并非均匀。车体速度的瞬时变动以及水流的紊动，致使出现环隙水流轴向速度随流量增减波动。

图4 环隙断面轴向速度分布Fig.4 Axial velocity distribution of the annulus section

3.2.2 周向速度分布

定义周向流速为沿环隙横断面内圆周速度的分

布。环隙断面周向速度分布如图5。

图5 环隙断面周向速度分布等值线(单位：m/s)Fig.5 Circumferential velocity distribution contour map of the annulus section

由图5可以看出，各流量条件下，环隙断面周向速度分布均呈现较明显的不均匀性，这是由于车端辐射状支脚的存在以及车体端面过水面积的改变，使水流经过时产生绕流，之后水流迅速进入环隙空间，水流流线急剧改变，剧烈的紊动使得车体环隙空间内周向速度分布紊乱。随着流量的增大环隙车身断面周向速度呈现总体增大的趋势。同时，等值线分布渐密，速度梯度分布渐大。原因在于，环隙面积不变，流量的增大引起周向速度的增大。

3.3轴向速度沿车体变化

轴向速度与管道轴心方向相同，是影响管道车长距离运移的主要因素，轴向速度在环隙横断面内速度差引起的剪切力是管道车运移的动力之一，因此针对轴向速度沿车体的分布情况进行研究是必要的。图6为以Q=60 m3/h时运行情况为例对管道车沿车体轴向速度断面分布情况进行分析。

图6 环隙宽度为20 mm时各测试断面轴向速度分布(单位：m/s)Fig.6 The axial velocity distribution in each measuring section of the annulus width 20 mm

由图6可以看出，车前以及车后测试断面轴向速度分布较为紊乱，这是由于车端支脚对两端面流场的扰动，两测试断面分别位于辐射状分布圆柱体绕流的前部和后部，绕流作用使得轴向速度分布较为紊乱。水流到达车中测试断面时，经过一定的再分布，断面速度分布基本呈现绕车体层状分布，较为均匀，且存在内大外小的现象，这是由于动边界管道车壁带动作用使其周围水流速度较大，而静止管道内壁附近的水流由于粘滞作用的存在速度较小。

4 结 论

通过对型号100×60的管道车在流量条件30～70 m3/h进行环隙流场压力及速度测定试验，得出以下结论：

1)管道车运行过程中，受车体支脚及端面影响车身周围环隙水流为紊流状态。

2)随着流量的增加，环隙断面压力值呈现总体增大趋势。

3)运动过程中，环隙流相对管道车轴向速度在管道车壁附近值较大，管道壁附近值较小；轴向速度随流量的增大呈现增大趋势，同时断面分布均匀程度随之提高。此外，同一流量条件下，车前、车中以及车后三测试断面中，车中断面轴向速度分布均匀性较好。

4)各流量条件下，由于紊动环隙流断面周向速度分布不均匀；随流量增大，周向速度及速度梯度呈现总体增大的趋势。

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