导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性的影响

李永业，庞雅琦，宋晓腾，贾晓萌，鲁一凡，孙西欢，张雪兰

导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性的影响

李永业，庞雅琦，宋晓腾，贾晓萌，鲁一凡，孙西欢，张雪兰

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

为分析筒装料螺旋流管道水力输送的能耗问题，该研究以导流条安放角为主要控制变量，采用理论分析与模型试验相结合的方法，研究了不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性。结果表明：不同导流条安放角条件下，管道车间断面的轴向流速分布趋势基本相同，均呈现先由管壁向内扩散，再由管轴线向外扩散的分布特征，且管道车间各断面轴向流速值整体较大，最大值达到3 m/s。不同导流条安放角下车间断面的径向流速基本在−1～1 m/s之间波动，且径向流速值为0的区域相对较大；随着导流条安放角度的增加，管道车间断面的径向流速逐渐呈现120°旋转对称分布，且在0°、120°与240°极轴方向上径向流速值较小。相较于轴向和径向流速，周向流速受导流条安放角的影响最大，且周向流速强度随导流条安放角的增大而增大，最大值能达到1.5 m/s。同时随着导流条安放角的逐渐增大，沿圆周断面呈逆时针旋转的周向速度增加；同径向流速类似，随着导流条安放角的增加，管道车间断面的周向流速也逐渐呈现120°旋转对称分布，但在0°、120°与240°极轴方向上周向流速值反而较大。该研究不仅完善了管道螺旋流理论，而且可为筒装料管道水力输送技术的推广应用提供理论参考。

流速；管道；输送；螺旋流；导流条安放角；管道车

0 引 言

目前，运输业的能源损耗、环境污染等问题已成为社会关注的重要问题，农产品运输所依赖的传统运输方式已不能满足人们日益增长的运输需求，且现阶段常用的输送方式存在耗能高、污染大[1-3]等问题，筒装料管道水力输送技术的出现为农产品的运输提供了一个新的方向。筒装料管道水力输送技术属于囊体管道水力输送的范畴[4-6]，该技术主要是将农产品盛装并密封在圆柱状的管道车内部，并借助流体的推力实现管道车在有压管道内进行长距离运输，能够实现运输物品与输送介质分离，避免混掺[7]。

由于管道车车身加装了导流条，从而使管道车在管道内运移时有螺旋流产生，而螺旋流的产生又会反过来影响管道车的运动状态，因此，想要更好的对管道车运动特性进行研究，就要了解管道螺旋流的分布变化特性。Eills[8]通过模型试验对单个管道车运动速度进行研究发现，管道车运动速度随着管道车直径和水流雷诺数的增大而增大。Kroonenberg[9]构建了管道车在平直管道内做同心运动时的数学模型，推导出了管道车运动速度和环状缝隙流流速公式，并通过模型试验验证了公式的准确性。Ma等[10]研究了雷诺数为200时，管道车与管道间不同缝隙比下的缝隙流流动特性，分析了缝隙比从0.03到0.3间变化时缝隙流的流速、边界层流动的演变和尾迹流动的变化规律。Mohamed等[11]采用3种不同的湍流模型对长直圆柱型管道车与管道所形成的同心环状缝隙流场特性进行了研究，并对3种模型的计算精度进行了对比。Taimoor等[12-13]采用数值模拟的方法对单个管道车在直管、弯管以及垂直管段运移时的水力学特性进行了研究，并依据最小成本原则对输送系统进行了优化。郑伟[14]分别对不同导叶长度下静止单个管道车所形成的环状缝隙流特性进行了研究，探讨了环状缝隙内的水流速度、压强与导流条长度之间的相互关系。Zhang等[15]对不同导流条安放角下的单个管道车运动特性进行了研究，结果发现：管道车运动时的旋转角速度、运移速度均与导流条安放角呈正相关关系。Jia等[16]对管道车壁面的受力特性进行了分析，发现管道车壁面切应力随着雷诺数的增大而增大。综上可以看出，目前的研究多集中于静止或运动状态下的单个管道车的流场特性和运动特性，而对两个管道车同时运动的水力特性研究却少有涉及，而随着研究的不断深入和完善以及运输量的不断提高，两个或多个管道车必将成为今后研究的重点[17-18]。

管道车间流场的变化会对管道车的运动特性产生影响，而加强对管道车间流场特性的研究有助于更好的了解管道车之间的相互作用[19-20]。因此，本文通过水力学及统计学相关理论与模型试验相结合的方法对不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性进行研究，以期为筒装料管道水力输送技术参数的优化提供一定理论依据。

1 试验系统与方案

1.1 试验装置与管道车结构

本试验系统主要由抽水及流量调节系统、试验管道系统、仪器量测系统3部分组成。其中抽水及流量调节系统由钢水箱、离心泵、电磁流量计组成；试验管道由内径为100 mm，壁厚为5 mm的有机玻璃圆管组成，有机玻璃圆管之间由法兰相连；流速测量仪器为粒子图像测速仪。试验系统如图1所示。

试验开始前先将管道车固定在测试管段以形成完整回路，通过标定板对相应的测试断面进行标定，之后利用坐标架对激光和相机进行调节，使得相机找到相应的测试断面。标定完成后在钢水箱中加入水和示踪粒子，通过离心泵将钢水箱中的水抽入管道中，利用闸阀对管道内的流量进行调节，并通过电磁流量计来观察管道内流量的大小，待管路中的水流稳定之后通过粒子图像测速仪对研究管段内的水流速度进行测试，然后根据研究管段上标定的坐标值得出相应测试断面位置对应的测点速度值，最终利用surfer软件绘制出相应测试断面的速度分布云图。

本研究的管道车结构主要由料筒、支脚、导流条3部分构成。其中：料筒为5 mm厚的有机玻璃空心圆柱，其长度为150 mm，外径为70 mm，厚度为5 mm；管道车前后两端各安装3个支脚，每两个支脚之间夹角为120°；导流条由厚度为3 mm，高度为10 mm的有机玻璃加工制作而成，等间隔粘结在料筒的外表面。安装导流条时，将其和支脚错开，并按120°等间隔角布置。管道车结构示意图如图2所示。导流条安装时进水端的切线与水流方向平行，出水端末端的切线与水流方向之间形成的锐角定义为导流条安放角，导流条安放角示意图如图3所示。

1.2 试验方案设计

1.2.1 试验工况

本文主要研究不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性，故以导流条安放角度为主要控制变量，以5°为间隔，选用5°、10°、15°、20°、25°五种导流条角度，导流条沿管道轴线的长度与管道车料筒的长度相同，导流条高度=10 mm，导流条的个数为3。试验所选流量=40 m3/h。

1.2.2 测试断面及测点布置

在试验中，每次使用相同导流条安放角度的两个管道车进行测量，管道车之间相距150 mm，在两管道车之间设置3个测试断面，顺着水流方向依次为断面1#、2#、3#。其中2#测试断面位于1#和3#断面中点位置处。测试断面布置如图4a所示。每个断面的测点布置采用极坐标的布置方法，以管道轴心为圆心，每个测试断面上布有5个测环，12条测轴。测环以管道测试断面的圆心为圆心，半径分别为9、18、27、36、45 mm，测轴以管道测试断面的圆心为交点，相邻两条测轴之间夹角为30°。测环与测轴的交点即为测点，共61个测点。测点布置图如图4b。

2 结果与分析

2.1 管道车间螺旋流轴向流速分析

不同导流条安放角条件下管道车间断面的轴向流速分布如图5所示。图5可以看出：

1）在不同导流条安放角条件下，管道车间断面的轴向流速分布趋势基本相同，均呈现先由管壁向内扩散，再由管轴线向外扩散的分布特征。管道中水流流经管道后车进入车间断面时，由于管道车外壁安装导流条与支撑体，水流受导流条的引流作用与支撑体的阻碍作用，1#断面的轴向流速分布呈现靠近管壁处较大，其最大值能达到3 m/s，而在管轴中心处轴向流速值较小。随着水流流至2#断面，受管道后车导流条与支撑体的影响减少，水流逐渐开始发展，靠近管壁处流速较大的水流开始向管轴中心流动，2#断面管道壁面处的轴向流速值小于1#断面，而管中心处的轴向流速逐渐增大，低流速区域逐渐收缩，即图中中心蓝色区域面积逐渐减小。水流流过2#断面后，开始逐渐靠近管道前车支撑体，受管道前车支撑体的阻碍作用，3#断面水流轴向流速中心区域低速区开始向近壁处扩散，中心低速区在图中所占面积逐渐增加，而近壁处轴向速度较大的区域则呈120°对称分布，且3#断面中心区域的轴向流速值变化相对较小，轴向流速值大多集中在1～1.5 m/s之间。

2）整体来看，1#断面轴向流速值3#断面低，1#断面中轴向流速集中于中心的低流速区域较3#断面中心区域范围更大一些，1#断面近壁处的轴向流速与其中心区域轴向流速极差大，整体轴向流速分布在3个断面中最不均匀。

为更加直观反映导流条安放角度的变化对于管道车间断面螺旋流轴向流速值大小的影响，对管道车间断面范围内所有测点的轴向流速值进行分区间统计，区间步长选定为1 m/s，共设5个区间：(−1，0)、[0, 1)、[1, 2)、[2, 3)、[3, 4)。图6为管道车间断面的轴向流速随导流条安放角变化的百分比堆积柱状图，从图6中可以看出：

1）管道车间各断面的轴向流速值大致在(−1，4) m/s之间，且1#断面处的轴向流速值变化波动较大，在各个流速区间都占有比例，而沿水流方向，轴向流速值变化波动逐渐降低并趋于均匀化。3#断面处的轴向流速值最为均匀，轴向流速大多集中于[1, 2) m/s区间内。这主要是由于1#断面距离管道后车较近，受断面突然扩张和支撑体的扰动影响，水流流态变化剧烈，从而导致水流流速值变化波动较大，而水流在到达3#断面之前经过重新分布变化已经趋于稳定，从而使得该断面轴向流速分布趋于均匀化。

2）当导流条安放角一定时，管道车间断面范围内水流的轴向流速整体沿程增加，这主要是由于水流自管道后车所形成的环状缝隙流出时，由于断面的突然扩张，使得水流扩散进入车间区域，流线在环状缝隙出口处发生弯折，从而使水流产生了周向和径向的流速，因此轴向流速随之降低，而随着距管道后车距离的不断增加，水流受管道车端面的影响降低，流线也逐渐恢复平直状态，使得水流沿管道轴向的分速度逐渐增大，即轴向流速值增大。

3）从1#断面～3#断面，随着车间断面与管道后车支撑体距离的增加，负值轴向速度呈现先减小至消失后又出现的变化趋势。这主要是由于1#断面受管道车车体扰流影响，在其附近有涡旋产生，从而使得轴向流速出现负值，而2#断面处在管道车间中部位置，受管道车车体扰流影响较小，因此轴向流速均沿水流方向，而当水流到达3#断面时，部分水流受管道前车端面的阻挡作用而使流速发生转向，从而使得轴向流速逆水流方向而出现负值。

2.2 管道车间断面螺旋流径向流速分析

不同导流条安放角条件下管道车间断面的径向流速分布如图7所示。规定径向流速沿管道半径指向圆心为负，背离圆心为正。由图7可以看出：

1）随着导流条安放角度的增加，管道车间断面上的径向流速逐渐呈现120°旋转对称分布，大约在60°、180°与300°极轴方向，径向流速为正值且数值较大；在导流条安放角为0°、120°、240°极轴方向径向流速值偏小。这主要是由于管道车的支撑体是120°旋转对称分布的，当水流流经管道车的导流条与支撑体时，水流受到强制导向作用力而产生螺旋流，使得与支撑体相重叠的极轴方向产生径向流速。

2）导流条安放角为10°、15°、20°时，管道车间断面径向流速旋转对称分布较为明显，导流条安放角为5°和25°时的管道车间断面径向流速旋转对称分布不明显。

3）相较于轴向流速值而言，径向流速值要小的多，两者最大相差两个数量级。不同导流条安放角下1#和2#断面的径向流速负值区域较大，而3#断面的径向流速值基本都为正，且该断面的径向流速值变化相对较小，即径向流速分布相对均匀。这主要是由于水流自环状缝隙流出之后，产生向管道中心流动的趋势，从而造成1#和2#断面处的径向流速指向管道圆心，而当水流到达3#断面后，水流将逐渐进入管道前车形成的环状缝隙，此时水流产生向管道壁面运动的趋势，从而造成该断面处的径向流速方向为背离圆心。

为分析导流条安放角度的变化对于管道双车车间断面螺旋流的径向流速的影响，将径向流速设置步长为0.5的区间，设置4个区间：(−1, −0.5)、[−0.5, 0)、[0, 0.5)、[0.5, 1)。统计各断面中所有测点的径向流速在不同流速区间中所占的百分比。图8为管道车间断面径向流速随导流条安放角增加的百分比堆积柱状图，从图8中可以看出：

1）不同导流条安放角下车间各个断面的径向流速在（−1, 1）m/s内变化波动，且1#断面处的径向流速值变化波动最为剧烈，这主要由于1#断面位于环状缝隙出口处，水流自环状缝隙流出时会发生类圆柱绕流现象，从而在车间形成一个尾涡区，而1#断面正好位于尾涡区范围内，因此径向流速变化波动较大，同时加上支撑体对1#断面附件水流的扰动，使得径向流速的变化波动更加剧烈。而2#断面的径向流速值变化波动最小，这主要是由于该断面附近水流受管道车的影响相对较小，水流流态逐渐稳定，水流流线几乎平行于管道轴线，从而造成沿径向的分速度逐渐减小且趋于稳定。而3#断面距离管道前车较近，受管道前车端面和支撑体的影响，水流在该断面附近再次发生扰动，水流流态不再稳定，径向流速波动增大。

2）对于同一断面而言，径向流速值并未随着安放角的增大发生较大变化，即导流条安放角对管道车间断面径向流速值的变化影响较小，同时与轴向流速分布进行对比发现，径向流速在车间区域的变化程度不如轴向流速变化的剧烈，即导流条对径向流速的影响程度要小于轴向流速。

2.3 管道车间断面螺旋流周向流速分析

不同导流条安放角条件下管道车间断面的周向流速分布如图9所示。规定沿圆周切线逆时针方向为周向流速的正方向，沿圆周切线顺时针方向为周向流速的负方向。由图9可以看出：

1）同径向流速分布类似，随着导流条安放角度的增加，周向流速也呈现120°旋转对称的分布趋势，在0°、120°、240°极轴方向上存在周向流速值较大的区域。这主要是由于管道车车体上存在导流条，导流条的作用使得流经管道车壁面附近的水流产生周向速度，从而使得该区域附近的周向流速值增大。

2）车间各断面周向流速在半径为27 mm的测环上发展较为充分，周向流速值偏大。在圆心处及近管壁处周向流速值偏小。近壁处水流受到管壁的黏滞作用，使得周向流速发展受到抑制。

3）各个断面圆心处的周向流速以负方向流速居主导位置，流速数值偏小，基本在0附近波动。同轴向流速相比，周向流速值较小，但是周向流速值要大于径向流速值，即导流条对周向流速的影响程度要大于径向流速。

4）随着导流条安放角的增加，周向流速值正值区域不断增大，即周向流速沿逆时针方向的区域不断增大，同时随着导流条安放角的不断增大，周向流速的强度也在逐渐增加，周向流速值最大可以达到1.5 m/s，说明导流条安放角的增大促进了车间断面周向流速的发展。

为分析导流条安放角度的变化对于管道车间断面螺旋流的周向流速的影响，与径向流速相似，同样设置4个区间：(−1,−0.5)、[−0.5,0)、[0,0.5)、[0.5,1)。统计各断面中所有测点的周向流速在不同流速区间中所占的百分比。图10为不同导流条安放角条件下管道车间断面的周向流速在流速区间分布的百分比堆积柱状图。由图可以看出：

1）不同导流条安放角条件下，管道车间断面周向流速百分比柱状堆积图呈阶梯状分布。对于同一断面而言，随着导流条安放角的增加，在(−1,0.5) 这一区间内的周向流速占比逐渐减小，而在[0.5,1) 这一区间内的周向流速占比逐渐增加，即导流条安放角的增加与周向流速的增加呈正比关系，导流条安放角越大，周向流速在高流速区间的分布所占比例越大，但随导流条安放角的增加沿圆周切线顺时针方向周向流速占比逐渐减小。对比管道车间断面的轴向和径向流速值变化可以看出，导流条安放角的变化对周向速度影响最大。

2）同轴向和径向流速分布变化相类似，当导流条安放角一定时，1#断面处的周向流速值变化波动最大，而3#断面的周向流速值变化波动最小。这主要是由于1#断面处在尾涡区附近，使得流速变化比较剧烈，而3#断面远离尾涡区，水流流态相对稳定，相应的周向流速分布也趋于稳定。

综合全文分析，实际应用时，合理的导流条安放角范围应选择在10°～20°之间。

3 结 论

1）不同导流条安放角条件下，管道车间断面的轴向流速分布趋势基本相同，均呈现先由管壁向内扩散，再由管轴线向外扩散的分布特征。

2）随着导流条安放角度的增加，管道车间断面上的径向流速逐渐呈现120°旋转对称分布，在60°、180°与300°极轴方向径向流速为正值且数值较大；在0°、120°与240°极轴方向径向流速值偏小。管道车间各个断面的径向流速值均在区间（−1, 1）m/s之间。

3）随着导流条安放角度的增加，管道车间断面的周向流速也呈现120°旋转对称的分布趋势，在0°、120°与240°极轴方向上周向流速值较大。不同导流条安放角条件下，周向流速百分比柱状堆积图呈阶梯状分布。随着导流条安放角的增加，周向流速逐渐向正方向增加，周向流速的强度也在逐渐增加，增幅将近1 m/s左右。

本文研究了不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性，分析了导流条安放角对管道车间断面的螺旋流流速特性影响，适当的增大导流条安放角可以获得较大的周向流速，同时管道内的水流流速分布也比较均匀。实际应用时，合理的导流条安放角范围应选择在10°～20°之间。

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Influence of setting angle for guide bar on velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between piped carriages

Li Yongye, Pang Yaqi, Song Xiaoteng, Jia Xiaomeng, Lu Yifan, Sun Xihuan, Zhang Xuelan

(030024,)

This study aims to explore the velocity characteristics of spiral flow between piped carriages under various setting angles of the guide bar. A combined theoretical and simulation test was adopted, where the main control variable was set as the setting angle of the guide bar. The results showed that there was basically the same trend in the distribution of axial velocity at the section of two carriages in pipeline car under the different setting angles of the guide bar, where both spread inward from the pipe wall and then outward from the pipe axis. There was an overall large value of the axial velocity at each section of car carriages, with a maximum of up to 3 m/s. In the rear car, there was a positive or negative velocity of axial flow at the cross section, indicating the backflow occurred. The velocity values of water flow were basically positive at the section of the pipeline in the middle and front of the car. There was a gradual distribution of 120° rotation symmetry in both circumferential velocity and radial flow velocity at cross-sections between piped carriages with the increase in the installation angle of the guide bar. The value of circumferential velocity was larger, but that of radial velocity was smaller in the directions of 0°, 120°, and 240° polar axes. The intensity of circumferential velocity was much stronger as the setting angle of the guide bar increased, where the maximum circumferential velocity reached 1.5 m/s, indicating a great influence of setting angle on the circumferential velocity. Furthermore, the circumferential flow velocity was positive or negative, indicating two directions, including counterclockwise and clockwise. In percentage columnar accumulation, there was a stepladder characteristic of circumferential flow velocity under different setting angles of the guide bar. A positive correlation was found between the circumferential flow velocity and the setting angle of the guide bar. The radial velocity basically fluctuated between −1-1 m/s, where there was a relatively large area with zero. The radial flow velocity was also much smaller, compared with the axial and circumferential flow velocity. Two directions were found in the positive or negative radial flow velocity: inward and outward the circle center along the diameter. The finding can provide theoretical support for the spiral flow of pipelines and the popularization of piped hydraulic transportation.

flow velocity; pipe; transportation; spiral flow; the setting angle of the guide bar; piped carriage

李永业，庞雅琦，宋晓腾，等. 导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：87-94.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.010 http://www.tcsae.org

Li Yongye, Pang Yaqi, Song Xiaoteng, et al. Influence of setting angle for guide bar on velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between piped carriages[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2021, 37(5): 87-94. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.010 http://www.tcsae.org

2020-09-19

2021-02-21

国家自然科学基金资助项目（51179116）；山西省自然科学基金（201701D221137）

李永业，博士，副教授，研究方向为流体机械。Email：liyongye@tyut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.010

S377

A

1002-6819(2021)-05-0087-08