不同直径圆柱体同心环状缝隙流轴向速度特性研究

吴 剑，孙西欢,2，李永业

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030600)

筒装料管道水力输送是当今逐渐蓬勃发展起来的一种新型水力输送方式[1]，其克服了浆体管道水力输送、型料管道水力输送工序繁琐、运输成本高、输送物料单一等缺点[2-4]。而囊体管道水力输送又存在减阻理论不完善的问题[5,6]。筒装料管道水力输送是将圆形管道内的圆柱体作为输送载体，装上物料后，在不同水流流速条件下，借助水流的流动特性，以达到物料空间输送的过程。大量理论及试验研究表明：管道车型号、荷载、输送流量等试验参数的改变都会影响管道车特性，管道车荷重与其运行速度成线性反比关系[7]。同心环状缝隙流动水压强沿管道车外壁到管道内壁呈现先减后增的分布[8]。流量因素对管道车的影响最为明显，输送流量增大，环隙断面的压力值整体增大[9]。

为便于试验分析，本文将管道车料筒概化为主圆柱体模型，附属圆柱体则由支脚结构和万向滚珠组成。水流经过管道车形成的环隙流动概化为水流沿圆柱体母线形成的绕流流场问题。本文的研究结论为合理设计管道车型号、提高运输效率、推动管道车应用进程提供试验依据。

1 试验设计

1.1 试验系统

本试验系统主要由管道系统、动力系统、测速系统组成，试验系统整体布置如图1。本次试验采用多节内径100 mm有机玻璃圆管作为试验管道，测试段布设在弯管出口后4.5 m处。试验时，在水中加入微米级的示踪粒子，水由水泵从储水箱抽出，流入试验管道，通过调节闸阀开度调节流量大小，最后流至储水箱形成一个闭合的循环回路。水流流速由无接触式高精度的多普勒激光流速仪(LDV)测定，相关参数如下：采样频率>200 Hz，采样有效率>90%，采样时间15 s。流速仪采集的速度值能保留15位有效数字，数据处理时，保留到小数点后两位。为了减小有机玻璃圆管对激光折射的影响，在测试管段加上一个矩形有机玻璃水套，并在里面注满清水。

1-储水箱；2-离心泵；3-输水钢管；4-电磁流量计；5-有机玻璃圆管；6-圆柱体；7-矩形水套；8-法兰盘图1 试验系统整体布置Fig.1 The experimental system arrangement

1.2 圆柱体模型

圆柱体模型主要由主圆柱体和附属圆柱体两部分组成。主圆柱体前后两个端面上分别布置了3个间隔为120°的辐射状附属圆柱体，起到了支撑主圆柱体的作用，圆柱体模型结构示意如图2所示。

图2 圆柱体构造示意图Fig.2 The cylinder structure model diagram

1.3 试验基本参数

影响同心环状缝隙流轴向流速的因素很多，主要有主圆柱体尺寸、附属圆柱体尺寸、流量等。综合考虑本文的研究内容和代表性，选取同一流量下4种不同直径圆柱体形成的缝隙流流场特性进行分析研究，试验参数如表1所示。

表1 不同型号圆柱体试验参数Tab.1 Test parameters of different types of cylinders

1.4 测试断面和测点布置

本次试验的测试断面布置在主圆柱体的正中间位置，该断面处的环隙水流得到一定的发展，具有一定的代表性。鉴于圆柱体缝隙流流场的复杂性，为了更加准确的测量出内部流场的分布特性，测试断面内以同心圆的形式布置60个测点，各测环半径依次为：

式中：D为圆形管道内径；B为主圆柱体与圆形管道间的缝隙宽度。

各个测点位置如图3所示。

图3 测点布置Fig.3 Measuring point arrangement

2 试验结果分析

2.1 轴向速度整体分布规律

水流在环隙区域内的运动主要表现为轴向运动，图4分别为直径50、60、70、80 mm圆柱体中心断面内的水流轴向速度整体分布情况。

4种不同直径的圆柱体形成的环隙流域内，水流的轴向速度与理想状态的圆管水流同心环状分布有很大区别。因为附属圆柱体对环隙流场的扰动，从而使轴向速度分布较为紊乱。从测试断面流速整体分布等值线图来看，环隙水流轴向速度呈现出外侧区域流速整体上大于内侧区域流速的分布。这主要是因为管道中的水流进入缝隙流场中时，由于圆柱体的阻碍作用，使得环隙区域轴向速度内侧小于外侧。随着圆柱体直径的增大，环隙水流的轴向速度等值线呈现出由稀疏逐渐变密集的趋势，说明断面轴向水流流速梯度逐渐增大，这主要是由于圆柱体直径越大，环隙宽度越小，相对于测区，扰动面积越大，附属圆柱体对环隙水流的扰动作用越显著，增加了水流流动的复杂性。

2.2 相同极轴上轴向速度变化规律

本试验共布置12条极轴，本节选取6条极轴上的测点速度进行分析，选取原则为每隔1条极轴选取出一条作为分析对象，相应折线图如图5所示。

图4 不同直径圆柱体中心断面轴向速度等值线图(单位：m/s)Fig.4 Axial velocity contours of central section with different diameter cylinders

据图5分析可知：轴向速度呈现先增后减的趋势，最大值出现在第4个测环处。这是由于流体具有黏滞性，管道内壁及圆柱体外壁处的液体质点黏附在固定边壁上，使得壁面处的速度为零；同时因主圆柱体对环隙内测处水流有一定的阻碍作用，使得极轴上呈现环隙内侧速度值较小，外侧速度值较大的分布。随着主圆柱体直径增大，实测的轴向平均流速分别为1.91、2.14、2.85、3.81 m/s，而同一极轴上的轴向速度值离散程度减小，其标准偏差分别为0.53、0.46、0.17、0.11，这表明壁面区和流体黏滞性在主圆柱体直径越大时对紊流的抑制作用越明显。

2.3 相同测环上轴向速度变化规律

为分析不同直径条件下，同一个测环上各个测点速度的变化规律，绘制出相应的折线图，以便直观地反应出轴向速度变化规律。

从图6可以看出：不同直径圆柱体相同测环上测点轴向速度呈现“波浪”式分布。当圆柱体直径逐渐增大时，各测环之间轴向速度差值逐渐变小。这是因为当圆柱体直径较小时，缝隙宽度大，环隙水流得到充分发展，各测环上的轴向速度差别较大。当主圆柱体直径增大，缝隙宽度减小时，由于圆柱体外壁和管道内壁都存在2～3 mm厚的壁面区，相对于流域，壁面区所占的比重越大，而壁面区对紊流有抑制作用，测环之间的轴向速度极差越小。相同测环上极差均值分别为1.15、0.81、0.39、0.25 m/s，这与相同极轴上轴向速度的规律类似。从图6还可以看出：环隙区域共存在3个波谷，其极轴角度分别为0°(360°)、120°、240°，而这正好是布置附属圆柱体时的极轴角度。由于附属圆柱体结构对水流的扰动作用，使得正好位于其正后方的测点轴向速度较小，而在附属圆柱体的两侧则出现速度峰值，共存在3个波峰。

图5 不同直径圆柱体相同极轴上轴向速度变化图Fig.5 Axial velocity variation of measuring points on the same pole of cylinder with different diameters

图6 不同直径圆柱体相同测环上轴向速度变化图Fig.6 Axial velocity variation of measuring points on the same ring of cylinder with different diameters

3 结 语

通过对不同直径圆柱体在同一流量条件下，管道中形成的同心环状缝隙流速度特性进行研究，得出以下结论。

(1)环隙水流轴向速度沿径向从圆柱体外壁到管道内壁呈现出先增后减的变化规律。

(2)随着主圆柱体直径的增大，极轴上与各测环间测点轴向速度逐渐变得较为均匀。

(3)位于附属圆柱体结构后的测点轴向速度整体有明显的下降，其两侧的轴向速度出现峰值。

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