不同径高比动导叶旋流器的管流特性

杨小妮，马娟娟，李永业，孙西欢,3

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.太原理工大学现代科技学院，太原 030024；3.晋中学院，山西 晋中 030600)

0 引 言

螺旋流是由于特殊的流体边界和流体的特性相互作用而形成的一种具有旋转流场的流动形式[1-3]，在流体机械中，如水轮机的转轮内流场，水泵的叶轮内流场及锥形泵入口流场等均属于螺旋流[4-7]。螺旋流输移固粒具有分布均匀的优点，被广泛应用于粒状物料的输送，如：黑色冶金、有色冶金、煤炭、化工、电力、水利、城市建设等部门进行各种业精矿和尾矿、矿石、灰渣、粉煤、泥沙、城市污泥等浆体的管道输送。同时，螺旋流对空气的传热率和压降特征也有重要的意义。目前关于螺旋流的研究主要表现在流体通过固定螺旋发生器时产生的螺旋流，一是在管道的内壁安装导叶以此产生螺旋流。如，李永业等人通过在平直管段中增设扭曲导流片以此产生螺旋流，得出了测试断面的流速和涡量场分布情况。试验表明在导流片附近流速梯度较大，且旋涡向圆管中心靠近[8]。张羽等人以同样的方式产生螺旋流，得出了轴向、径向速度沿程的变化情况和旋流强度沿程衰减的变化过程[9,10]。林愉等人通过试验研究和理论分析探究了该方式产生螺旋流的阻力损失和起旋效率，从而优化导流片的结构参数[11]。Steenbergen W, Voskamp J通过在圆管内壁安装18个可调角度的叶片产生不同类型的螺旋流，并采用多普勒粒子测速仪测量不同Re情况下各类型螺旋流的衰变率，以旋流数螺旋流强度，螺旋流的衰变演化过程可拟合成指数函数。且将光滑管道中螺旋流衰减率的不确定度由50%下降到5%[12]。二是在管道内插入螺旋桨式或者不同螺距弹簧式螺旋发生器等。Betül, Ayhan Sarac, Tulin Bali以空气为介质，研究了不同Re条件下平直管道中内置螺旋桨式的螺旋发生器的结构参数(叶片的角度和叶片的个数)对衰变螺旋流的热交换和压降特征的影响[13]。A.E. Zohir, A.A等人对比了内置螺旋桨自由旋转和插入螺旋弹簧产生螺旋流对强化传热和压降的影响。内置螺旋桨管道和插入螺旋弹簧管道与普通管道相比，将传热性能分别提高了1.69倍和1.37倍。压力降分别增加了3倍和1.5倍[14]。而这些方式产生的螺旋流都存在沿程衰减的问题。为此，研究者开始探究螺旋流发生器运动时产生螺旋流的特性，目前研究的主要是运动的螺旋流发生器与管道之间的缝隙流的特性研究[15]，而对于螺旋流发生器上游和下游沿程的水力特性状况鲜有研究。运动的螺旋流发生器也是通过扭曲的导流片强制流体产生螺旋流。而导叶的径高比是螺旋流发生器的一个重要的结构参数，当导叶径高比较低时，其切入水流的深度较小，只能对靠近螺旋流发生器的流体起强迫导旋作用，而靠近管壁的流体只能靠螺旋流发生器周围的流体诱导成螺旋流，这种情况下，螺旋流强度较弱。反之，当导叶径高比较高时，其强迫导旋作用很强，但流体与导流体的摩擦面增大，形成较大的流动阻力。因此，本文主要针对这一问题展开研究，以水为流动介质，对运动导叶在不同径高比时产生的螺旋流水力特性进行研究，以寻求适当的导叶安装径高比。

1 试验装置和系统

本试验的运动螺旋流发生器命名为旋流器，主要由导叶、小圆柱筒(D=50 mm)、支脚三大部分构成。导叶为扭曲面，由厚度为5 mm的有机玻璃板制成，沿圆柱筒的四周等间距布设三条，用于产生螺旋流；圆柱筒两端密封；支脚主体呈圆柱状，前端为半球状，沿圆柱筒前后两端面呈120°等间隔角分别布设三个，并与管内壁的三个轨道恰好接触，其作用主要是使旋流器在运动时，旋流器的轴心和管道的轴心始终重合。旋流器的结构示意图见图1。

图1 旋流器结构示意图Fig.1 Structural representation of hydrocyclone

试验系统[15]由供水和调节系统、流量计量系统、旋流器投放与回收系统、旋流器制动系统、输水管路及测试系统组成。试验系统示意图如图2所示。

1-离心泵；2-闸阀；3-流量计；4-投放装置；5-制动装置；6-直管段；7-方形水套；8-LDV；9-旋流器；10-法兰；11-弯管；12-直管段；13-水箱；14-稳流栅板 图2 试验系统布置示意图(单位：mm)Fig.2 Layout sketch of experiment facilities

旋流器通过投放装置(如图3所示)进入试验管路，然后由水泵将水由水箱抽入输水管道(管内径D1=100 mm，外径D2=110 mm)，输水管路上装有闸阀和涡轮流量计，闸阀用于调节试验工况所需流量，涡轮流量计用于计量流量。待流量调到试验流量工况，同时水流稳定后，打开制动系统释放旋流器，用LDV在测试断面对旋流器运动过程中的水力特性进行量测，测试断面距上游弯管出口15 m处，旋流器位于测试断面上游指旋流器运动到测试断面上游2 m处时，旋流器位于测试断面下游指旋流器通过测试断面运动到测试断面的下游，且距测试断面两米处的位置。水流最后经管道流入水箱，形成一个闭合的循环回路。

图3 旋流器投放装置Fig.3 Schematic diagram of deployment equipment

2 试验方案

影响旋流特性的因素很多，主要有：导叶径高比、导叶角度、导叶长度。本文主要研究不同导叶径高比下的旋流特性，具体的设计参数和运行工况见表1。每次试验重复3次，取平均值。

表1 旋流器的具体设计参数和运行工况Tab.1 Specific design parameters and operating conditions of Hydrocyclones

注：Q是设计流量；ε是径高比；Uc是管道断面的平均速度；H是旋流器的导叶高度；θ是导叶的旋转角度；D和L分别是旋流器圆柱筒的直径和长度；Re是满管流的雷诺数(Re=UcD/v,v是水温20 ℃时的运动黏滞系数)。

为了弄清测试断面的水力特性，在测试断面上采用极坐标的方式布置测点。设置7个测环，最外层的测环距管壁1 mm，与第二层测环间隔1 mm，其他测环间隔8 mm。沿半径方向每隔30°布置一个极轴，测环与极轴的交点即为测点，共84个测点。

3 试验结果与分析

3.1 不同导叶径高比时测试断面的压力分布情况

旋流器在管道中运行时，其测试断面的压力分布情况如图4所示。从图中可以看出：①当旋流器位于同一断面时，该测试断面的压力分布均表现为断面上部的压力大，下部的压力小。其原因主要是水流经过旋流器，导叶有一定的角度，强迫水流流线发生变化，使其形成涡管流，有别于一般管流，主要特征表现为除了轴向的流动外，还有周向和径向流动，从而也会产生有旋流动，进而使管内的压强场发生变化。同时，测试断面位于旋流器上游或下游2 m处的位置，螺旋流已充分发展，使其断面压力分布不再严格遵循对称分布。②从压力等值线图上也可以看出，随着旋流器上导叶径高比的增加，旋流器位于同一位置时，测试断面的压力也在增加。这主要是因为出现绕流情况，因旋流器为非流线型物体，圆柱表面上的边界层经受不起逆压的作用就脱离物体，而在物体后面形成尾涡区[16]，由于物体尾部有旋涡发生以至使管中水流产生螺旋流。③图4(a)与图4(b)相比可以看出：旋流器位于测试断面下游时测试断面的压力大于旋流器位于测试断面上游时断面的压力，即旋流器对其后断面水流的影响远大于对于其前端面水流的影响。而且其后断面的压力梯度大于其前端面的压力梯度，其后断面形成更明显的旋流现象。

图4 测试断面的压力等值线图(单位：kPa)Fig.4 Contour maps pressure of the testing section

3.2 不同导叶径高比测试断面速度分布情况

旋流器在平直管段中产生的螺旋流可看作由2种简单流动叠加形成。一种是由水泵产生外来压力的轴向Poiseuille流动，另一种是旋流器导叶强制导旋产生的周向Coutte流动。再加之水流的黏性拖曳周边的水流螺旋运动，最终形成螺旋流。

通常，螺旋流处于紊流状态。旋流器在管道中运动时，管道中的流速分布是三维的。本文分别从轴向、径向、周向三个方向对带有不同径高比导叶的旋流器位于测试断面下游时该测试断面的流场特性进行研究。

图5 旋流器位于测试断面下游时轴向速度分布图(单位：m/s)Fig.5 The distribution of axial velocity when the hydraulic located in the downstream of testing section

3.2.1 不同导叶径高比测试断面轴向速度分布情况

图5为旋流器位于测试断面下游时，该测试断面的轴向速度等值线图，从图5中可以看出，①管中心处的流速大，靠近管壁处的流速基本较小，部分地方出现较大流速。这主要是旋流器的存在,使得水流通过时产生扰流现象。②管中心处的流速梯度小，管壁附近的流速梯度大。究其原因主要是因为导叶的影响，水流在推动旋流器向前运动的过程中，水流经过导叶时由于水的黏性作用，使流线比较聚拢，从而产生管壁附近流速梯度大的现象。③在该工况下，随着导叶径高比增加，其轴向速度表现为先增大后减小的趋势，当导叶的径高比ε=0.3时，测试断面的轴向流速最大。这主要是因为水流推动旋流器运动主要靠旋流器前后的压差力的作用，而对于不同径高比导叶该作用力的位置和大小不同从而导致其轴向速度不同。

在旋流器的作用下，平直管段测试断面沿Y轴的轴向速度分布如图6所示。不同导叶径高比下Y轴断面的轴向速度变化，均呈现类对数分布，与螺旋流轴向速度的理论分析和模拟结果相吻合[17]。在中心区域，即距管轴约小于2.5 cm的范围内，轴向流速较大，且相对比较均匀。在此范围以外受液体黏度影响，流速变化较快。同样，可以得出，当旋流器导叶径高比ε=0.3时，测试断面的轴向流速平均值最大。

图6 测试断面沿Y轴的轴向速度分布Fig.6 The distribution of axial velocity along the Y axis of the test section

3.2.2 不同导叶径高比周向速度分布情况

导叶的存在是管道中水流产生周向流速的决定性因素，水流在推动旋流器向前运动的过程中，由于水流作用在导叶上的力矩使旋流器螺旋式向前运动，从而使水流在导叶的带动下强制性旋转。而导叶的径高比不同，使得水流作用在导叶上的力矩不同，从而使水流的旋转强度有所差异。

圆管螺旋流的周向速度可看作由导叶区的强制涡，近管壁处和圆管中心处的准自由涡组成。这两个区域以最大周向速度处r1、r2为界。从图7中可以看出，r1位于距管轴约2 cm的位置，r2位于距管轴约3 cm的位置。在r1r2的准自由涡区，该区域速度值相对较小，尤其在管壁处，水流黏性的影响，速度最小。只是对于不同的导叶径高比，两个区的位置稍有变化。导叶径高比ε=0.1时，该断面的周向速度较大。图8为旋流器位于测试断面下游时，该测试断面的周向速度等值线图，对于不同径高比的导叶，其测试断面的周向速度大小不同，而且随着导叶径高比的增加，其周向速度有先减小后增大的趋势。

图7 测试断面沿Y轴的周向速度分布Fig.7 The distribution of circumferential velocity along the Y axis of the test section

图8 旋流器位于测试断面下游时周向速度分布图(单位：m/s)Fig.8 The distribution of circumferential speed when the hydraulic located in the downstream of testing section

3.2.3 不同导叶径高比径向速度分布情况

从图9中可以看出，①当旋流器位于测试断面的下游，该测试断面的径向流速整体表现为：在管轴心附近形成一系列以管轴心为圆点的速度同心环，且速度梯度较大。 ②随着导叶径高比的增加，径向流速在逐渐减小。这主要是由于径向流速是由两方面的原因引起的：一方面是由于同一断面上流体紊动作用的结果。它的存在，也说明了速度进行重新分布，流体质量仍然守恒；另一方面在有螺旋流存在时是主要原因，即在形成螺旋流时，管中心处的流体将因旋转产生的离心力的作用而向管壁处运动，同时旋转着向下游运动[9]。随着导叶径高比的变化，水流旋转的强度不同，从而导致其径向速度也随之发生变化。③当导叶径高比ε=0.3时，整个断面径向流速梯度最大，即径向流速变化最剧烈。

图9 旋流器位于测试断面下游时径向速度分布图(单位：m/s)Fig.9 The distribution of radial velocity when the hydraulic located in the downstream of testing section

由于径向速度相比于轴向速度和周向速度，其速度值较小且对螺旋流的影响较小。故其断面的分布情况不再赘述。

3.3 涡量场特性研究

图10为旋流器位于测试断面下游时轴向涡量等值线图，从图10中可以看出：①在测试断面的Y轴附近涡量强度变化大。在管轴附近涡量值较大，且与水流方向相反。②当旋流器导叶径高比ε=0.3时，涡旋的分布较均匀，且相比于其他旋流器，涡量值较大，即涡旋强度较强烈。③由于导叶和支脚的影响，测试断面局部有小漩涡产生。

图10 旋流器位于测试断面下游时轴向涡量等值线图Fig.10 Contour diagram of axial vorticity when the hydraulic located in the downstream of testing section

4 结 语

通过对运动导叶不同径高比时的旋流特性研究，得出以下结论：

(1)随着旋流器上导叶径高比的增加，旋流器位于同一位置时，测试断面的压力也在增加。

(2)旋流器位于测试断面下游时测试断面的压力大于旋流器位于测试断面上游时断面的压力，即旋流器对其后断面水流的影响远大于对于前端面影响。

(3)在本文所述工况下，测试断面下游水流的轴向速度随导叶径高比的增加表现为先增大后减小的趋势，不同导叶径高比下断面的轴向速度变化均呈现类对数分布，在中心区域，即距管轴约小于2.5 cm的范围内，轴向流速较大，且相对比较均匀。在此范围以外受液体黏度影响，流速变化较快。其周向速度随导叶径高比的增加有先减小后增大的趋势，而径向速度随导叶径高比的增加逐渐减小，即导叶径高比为0.3时，其轴向速度最大，径向流速变化最剧烈，周向速度较均匀。

(4)测试断面的Y轴附近有一系列涡核，且各相间涡核方向相反；当旋流器导叶径高比ε=0.3时，涡旋的分布较均匀，且强度较剧烈。

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