导叶长度对囊体间断面螺旋流流速特性的影响

李永业，张奇伟，宋晓腾，鲁一凡，杨小妮，孙西欢，张雪兰，庞雅琦

导叶长度对囊体间断面螺旋流流速特性的影响

李永业，张奇伟，宋晓腾，鲁一凡，杨小妮，孙西欢，张雪兰，庞雅琦

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

为研究囊体表面的导叶长度对囊体管道水力输送特性的影响，该研究以导叶长度为控制变量，通过物理模型试验对囊体间断面的螺旋流流速特性进行了研究。结果表明：不同导叶长度下囊体间各断面的轴向流速分布基本相同，从轴心处沿径向呈现先增大后减小的变化趋势，且随着导叶长度的不断增长，囊体间各断面轴向流速的波动减小，轴向流速分布更加均匀。不同导叶长度下囊体间沿程各断面的周向流速梯度均呈现出先减小后增大的变化趋势，而周向速度最大值和最小值均出现在靠近上游囊体的区域，且周向流速随导叶长度的增加而增大，最大值能达到1.2 m/s。不同导叶长度下，靠近上游囊体区域的径向流速梯度最大，而囊体间中部断面的径向流速梯度较小，且随着导叶长度的增长，同一断面的径向流速分布逐渐趋于均匀。不同导叶长度下，同一测环上的轴向、周向和径向流速均呈现波浪状分布，其分别在–1.2～3.5、–0.6～1.2和–1.6～1.2 m/s之间波动。且受囊体支脚的影响，轴向、周向以及径向流速值在测轴为60°、180°、300°位置处均出现极值。该研究成果可为囊体管道水力输送的优化设计提供理论依据。

流场；试验；管道；水力输送；囊体；导叶长度；螺旋流；流速特性

0 引 言

目前，农产品物流主要依赖于公路、铁路等传统的运输方式[1-3]。传统运输方式在满足人们生产生活需要时，也暴露出各种各样的缺点，例如化石燃料燃烧不完全造成的能量浪费以及环境污染，故提出新型农产品运输方式—囊体管道水力输送。该运输方式主要是将农用物资放置于囊体内部，通过投放装置投放于有压管道内，依靠水流推动囊体运动，沿固定管路将农用物资输送到目的地的以实现农用物资的点对点输送[4-6]。它是一种应用于农业工程领域的新型管道水力输送技术。

囊体管道水力输送技术经过多年的发展，也已经取得了一定研究成果。Kollár等[7]建立了生命周期成本分析模型，用来检验囊体尺寸对输送管道寿命的影响程度。Agarwal等[8]研究了囊体形状对囊体运行速度的影响，研究发现囊体直径和管道直径比对囊体运行速度起主导作用。Asim等[9]对不同形状囊体的运动速度进行了研究，建立了胶囊摩擦因数和损失系数的半经验预测模型。Ulusarslan等[10-11]通过模型试验对不同直径比下的囊体运动和管内压力梯度变化进行了研究，结果发现随着直径比的增大囊体的运移速度也逐渐增大。张春晋等[12-13]就流固耦合作用下的囊体管道水力输送内部流场特性进行了研究，分析了囊体在管道内运动时，囊体周围的环隙流场随囊体径长比的变化关系。Li等[14]对囊体表面安装不同导叶安放数量下的管道内螺旋流流速特性进行了研究，探讨了螺旋流的流速特性与导叶数量的关系。

由于在囊体表面安装有导叶，水流在推动囊体运动时会产生螺旋流。螺旋流除了具有沿管轴线的轴向流速外，还有绕圆心的周向流速和沿半径方向的径向流速。鉴于螺旋流三维流速分布的复杂性以及实用性，国内外专家学者针对螺旋流展开了大量的研究。Zohir等[15]利用旋流发生器在管内形成螺旋流，并通过模型试验对突扩管中的螺旋流热交换特性和压降特性进行了研究。Itos等[16]通过对不同雷诺数下的管道内螺旋流特性进行研究，发现径向流速要远小于轴向和切向流速。Cavazzuti等[17]利用数值模拟的方法对环形管中漩涡流的衰减速率进行了研究，给出了一个精度合理的漩涡流衰减预测公式。Zhang等[18-19]对不同缝隙宽度和不同雷诺数下的同心环状缝隙螺旋流三维流速特性进行数值模拟，结果表明环状缝隙宽度与三向流速的大小呈负相关，雷诺数与三向流速的大小呈正相关。王树立等[20-21]通过试验对气液两相螺旋流的流型和压降规律进行了研究，将出现的流型归纳为螺旋弥散流、螺旋泡状流以及螺旋波状分层流三种，并发现流型对压降影响显著。Aydin等[22]设计了一种新型起旋器，并研究了起旋器参数变化对旋流换热和压降的影响。常凯等[23]对圆管内螺旋扭带产生的螺旋流水流特性进行模拟分析，并对螺旋流的流场特性、涡量以及漩涡分布进行了研究。

综上所述，随着研究的不断深入，多囊体螺旋流输送必会成为今后研究的重点[24]。而当水流流过多囊体时会经历断面的骤增、骤减变化同时加之导叶对水流状态的扰动，其间螺旋流的存在会直接影响囊体的运动和能耗。囊体表面的导叶参数的变化会直接影响囊体之间螺旋流的强度及流速结构，先前已对导叶安放角对螺旋流特性的影响进行了研究，并确定了最佳安放角的取值范围[25]，基于此成果进行导叶长度对螺旋流特性影响的后续研究，就囊体间断面的螺旋流流速特性改进分析方法进行多组分、多尺度的分析。通过控制囊体表面的导叶长度，来对比分析两囊体之间的螺旋流流速分布，拟为进一步研究囊体管道水力输送的输送能耗提供理论基础。

1 试验系统与方案

1.1 试验系统

本试验系统主要由调节装置、囊体投放与回收装置、试验管道、测试仪器4部分组成[25]。其中调节装置由离心泵、电磁流量计组成；循环试验管道为通过法兰连接的有机玻璃空心圆管，内径为100 mm，壁厚为5 mm；流速测量仪器为粒子图像测速仪，测量时为了减少管道壁面对激光的折射，在管道外壁加装了矩形水箱。在水箱中装满水，从而降低了激光折射问题，提高测量的精度。试验时，先由离心泵将钢水箱中的水抽入管道内，然后将囊体从投放装置放入试验管道，并通过制动装置将囊体固定，通过闸阀调节流量到试验所需流量，流量采用电磁流量计来计量，待流量稳定后，解除制动装置，释放囊体，并在测试管段采用粒子图像测速仪对囊体之间断面的水流的流速进行量测，最后囊体从管道出口进入囊体接收装置，而水则流入钢水箱形成一个闭合的循环回路。试验系统示意图如图1所示。

1.2 囊体设计

本试验研究的囊体由导叶、支脚和料筒组合而成，支脚通过螺纹与料筒结合在一起，然后导叶粘接于料筒之上。料筒由亚克力有机玻璃制成，料筒的径长比（料筒的长度与直径的比值）为0.47，料筒的厚度为5 mm；金属支脚通过定位螺丝固定于料筒盖上（3个支脚关于圆心120°对称分布），通过螺纹与料筒合为一体；导叶也为亚克力制品，热加工后用模具定型。安装导叶时，将其和支脚错开，并按120°等间隔角布置。囊体模型示意图如图2所示。

1.3 试验工况设计

本文主要研究导叶长度对囊体间断面螺旋流流速特性的影响，故以导叶长度为主要控制变量，选取4种导叶长度，分别为：0.25、0.5、0.75、。导叶其他参数分别为：安放角度=15°，宽度=10 mm，厚度3 mm，个数3。其中安放角度指导叶安装时进水端的切线要平行于水流方向，出水端末端的切线与水流方向之间形成的锐角。试验所选流量=40 m3/h，水流为湍流。

1.4 测试断面及测点布置

试验时，每次使用导叶长度相同的两个囊体进行测量，囊体之间相距150 mm，试验时为保证囊体间距不变，使用直径为3 mm的硬质弹簧（不会拉伸和收缩）对两囊体进行连接。同时为了保证囊体运动的位置不变，除在管道测试段外，管道内部其余部分都设有滑道，管道车支脚沿滑道在管道内运行，不会在运行途中发生偏转。在两囊体间共设置3个测试断面，顺着水流方向布置。1#和3#两个测试断面与离它们较近的囊体之间的距离为3 mm，2#测试断面位于1#和3#断面中点处。试验开始前，利用PIV (Particle Image Velocimetry)标定板先进行位置标定，标定板中心即坐标原点。试验结束后，根据试验数据坐标便可提取距前后囊体支脚断面3 mm处断面的试验数据。测试断面布置如图3所示。

测试断面的测点布置采用极坐标的布置方法，考虑断面为圆形，从圆心向外等间距布置5个测试环带（以下简称测环），另顺时针等间距布置12条测试极轴（以下简称测轴）。测环以管道测试断面的中心点为圆心，半径1、2、3、4、5分别为9、18、27、36、45 mm，极轴以管道测试断面的中心点为交点，相邻两条极轴之间夹角为30°。测点位置即测环与测轴相交点，外加一个测试断面圆心，一个断面共布置61个测点。3个断面测点布置图如图4所示。

2 结果与分析

2.1 车间断面轴向流速分布

不同导叶长度条件下囊体间断面的轴向流速分布如图5所示。

从图5可以看出，1）导叶长度只影响流速大小，不影响断面内轴向流速分布规律。囊体间断面轴向流速从轴心处沿径向呈现先增大后减小的变化趋势。管道中水流流经前囊体缝隙进入囊体间断面时，过水断面面积的突然扩大，流线会急剧扩张，同时由于囊体表面安装有导叶与支脚，水流受导叶的导流作用与支脚的阻碍作用，导致近囊体的1#断面轴向流速剧烈变化，流速梯度最大，并且3个测试断面的轴向流速的最大值与最小值均出现在1#断面。随着水流流至2#断面，受前囊体的影响逐渐减少，水流逐渐开始重新分布，随着螺旋流的发展，断面流速分布趋于均匀。水流流过2#断面后，开始逐渐靠近后囊体，受后囊体的阻碍作用，3#断面水流流线开始收缩，并逐渐向管壁方向扩散，使得该断面的轴向流速波动较大，流速分布也愈不均匀。2）随着导叶长度的增加，同一断面上轴向流速的波动越来越小，轴向速度变化幅度也越小，断面流速分布较均匀。

为了研究不同导叶长度条件下囊体间断面轴向流速的局部分布特性，选取半径分别为1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的测环进行分析，具体如图6所示。

由图6可以看出：1）对于同一测环而言，不同测轴上测点的轴向流速随测极角变化呈波浪形分布，存在规律的波峰及波谷分布。波峰位置大致对应出现在0°、120°、240°左右，波谷位置大致对应出现在60°、180°、300°左右。波谷的出现是因为囊体3个支脚对水流的阻碍，水流经过支脚时，垂直进入并发生绕流现象，考虑支脚对水流的阻力及绕流产生的漩涡，因此支脚对应位置的轴向流速小于其他区域，出现波谷。2）对于1#断面而言，半径不同的各个测环上测点的轴向速度差值较大，而且轴向速度随着测环半径的增大呈现逐渐增大的变化趋势。半径为1、2、3的测环轴向流速范围约为−1.2～1.5 m/s，半径为4和5的测环轴向流速约为1.5～3.5 m/s。同时1#断面上轴向流速有负值出现，即轴向流速逆水流方向。这主要是由于水流自环状缝隙流出后会在1#断面区域附近发生回流，因此使得轴向流速值为负。对于2#断面而言，同一测环上轴向速度极大值和极小值的差值逐渐缩小（约为1.5 m/s），断面流速分布较其他断面更加均匀；由于2#断面已脱离回流区域，因此该断面上测点的轴向流速值基本都为正，同时2#断面上的轴向流速所能达到的最大值要小于1#断面（约为3.5 m/s）。但对于3#断面而言，由于距离后囊体较近，支脚和料筒对水流的作用力导致3#断面的水流流速发生了变化，流速分布变的紊乱，速度差值增大，流速梯度变大。该断面处轴向流速值也基本为正值，均为顺水流方向，且3#断面上测点的轴向流速最大值（约为2 m/s）要小于1#和2#断面。3）在各个断面上，半径为1和2测环上的测点轴向速度随测环角度的变化较小，说明支脚和导叶对断面中心区域影响较小。

2.2 车间断面周向流速分布

不同导叶长度条件下囊体间断面的周向流速分布如图7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7可以看出：各断面的周向流速均随导叶长度增加而逐渐增大。周向流速的极值均出现在1#断面，并且1#断面的周向流速等值线最为密集，说明该断面周向流速的变化梯度最大。周向速度较大的位置集中于囊体与管壁间的缝隙区域（半径大于35 mm），在囊体对应的区域（半径小于35 mm）由于水流经过前囊体进入囊体间，过水断面面积突然增大，流线扩散，在前囊体的后端面位置形成漩涡，从而导致周向流速出现负值，即周向流速沿圆周切线顺时针方向运动。相较与1#断面，2#断面周向流速发展更为充分，周向流速分布更加均匀，流速等值线比较稀疏，流速梯度较小。周向速度较大的位置也从缝隙处往管轴中心移动，周向速度为负值的区域减少。3#断面相较2#断面的周向速度分布，流速梯度增大，周向流速的负值区域增多，但负值区域多与支脚位置相对应。

为了研究不同导叶长度条件下囊体间断面周向流速的局部分布特性，选取半径分别为1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的测环进行分析，具体如图8所示。

由图8可以看出：测环上各测点的周向速度沿着不同极轴角度均呈现波浪状分布，在极轴[0°，30°]，[120°，150°]，[240°，270°]区间内出现峰值，在极轴[60°，90°]，[180°，210°]，[300°，330°]区间内出现峰谷。受前后囊体的影响，当导叶长度一定时，同一测环上周向流速波动幅度沿程呈现先减小后增大的变化趋势。当导叶长度不断增加时，同一测试断面周向流速的波动范围不断增大，周向流速的强度也在逐渐增加，周向流速的极大值也由0.6m/s变为1.2 m/s。这主要是因为导叶长度越长，导叶对水流的导向作用就越大，所形成的螺旋流的周向流速就越大，说明导叶长度的增加促进了囊体间断面周向流速的发展。从图中还可以看出，当导叶长度为0.25时，各断面上负的周向流速较多，但随着导叶长度的不断增加，各断面上负的周向流速不断减少，说明导叶长度的变化对周向流速的方向产生了一定影响。

2.3 车间断面径向流速分布

不同导叶长度条件下管道双车车间断面的径向流速分布如图9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9可以看出：1）相同导叶长度情况下，受囊体结构的影响，1#断面的径向流速波动最为剧烈，变化梯度最大，2#断面的径向流速变化梯度最小。与1#断面相比，2#断面中径向速度为负值的区域减少，径向速度为正值的区域主要位于靠近管壁和管轴心位置，说明水流有往管轴心方向偏转的趋势。与1#断面相比，2#断面的速度等值线更为稀疏，流速梯度逐渐减小，说明各断面的径向速度分布沿程逐渐趋于均匀。在3#断面，径向速度正值占据大部分区域，说明断面水流向管壁方向偏转，这主要是因为受囊体B的阻碍作用，3#断面水流流线开始向缝隙处收缩，并逐渐向管壁方向扩散。2）随着导叶长度的增加，同一测试断面径向速度的极大值与极小值的差值呈现逐渐减小的变化趋势。

为了研究不同导叶长度条件下囊体间断面径向流速的局部分布特性，选取半径分别为1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的测环进行分析，具体如图10所示。

由图10可以看出：1）对于同一测环而言，不同测轴上测点的径向流速随测轴角度的变化呈波浪形分布，径向流速的最大值和最小值均出现在极轴60°、180°、300°的位置，这正好与支脚位置相对应，说明支脚对径向速度的影响较大。随着导叶长度的增大，同一断面上的径向流速波动先降低后增高。当导叶长度一定时，沿水流方向径向流速值先减小后增大，这主要是由于水流自环状缝隙流出后，产生向管道中心的运动趋势，因此1#断面的径向流速值较大，随着水流远离囊体，水流流态逐渐趋于稳定，流线逐渐与管道轴线平行，径向流速值也随之降低，当水流靠近后囊体时，水流产生向环状缝隙运动的趋势，从而使得径向流速值增大。2）径向流速主要受支脚影响，距支脚较近的1#断面和3#断面，同一测轴上的径向速度波动较大，而2#断面上测轴径向速度波动范围相对较小。对于同一条极轴，在测环半径在9～18和36～45 mm范围时，径向速度的变化幅度较小，在18～36 mm范围变化幅度较大。3）测环半径为45 mm处，2#断面的径向速度大都接近于0，而1#和3#断面由于受囊体结构的影响，径向流速波动较大，约为−1.6～1.2 m/s。

3 讨 论

本文通过对不同导叶长度下囊体间断面的螺旋流流速特性，分析了导叶长度对囊体间断面的螺旋流流速特性影响，适当的增大导叶长度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，合理的导叶长度范围应选择在0.75～之间。目前囊体管道水力输送主要针对囊体的结构参数优化、囊体管道水力输送过程中水流的水力特性以及输送能耗进行研究，实际应用时还有待对该输送技术的投放与接收装置以及中继加压系统进行研究。

4 结 论

1）囊体间各断面的轴向流速从管道中心到管壁呈现先增大后减小的变化趋势，并在−1.2～3.5 m/s之间变化。随着导叶长度的增加，囊体间各断面的轴向流速的波动越来越小，其轴向流速分布也逐渐趋于均匀。

2）导叶长度的变化对周向流速大小的影响最为显著，随着导叶长度的增加，各断面周向流速值均逐渐增大，且周向流速的最大值和最小值均出现在靠近前囊体附近断面。当导叶长度一定时，沿水流方向囊体间各断面的周向流速梯度值呈现出先减小后增大的变化趋势，并在−0.6～1.2 m/s之间变化。

3）径向流速在−1.6～1.2 m/s之间变化，在靠近囊体区域变化波动相对剧烈，而在囊体间的中部位置分布相对均匀。导叶长度对径向流速的影响要小于周向流速，随着导叶长度的增加，同一测试断面径向速度的极大值与极小值的差值呈现逐渐减小的变化趋势。中间断面的径向流速分布较前后断面更为均匀，流速梯度更小。

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Influence of guide vane length on the velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between capsules

Li Yongye, Zhang Qiwei, Song Xiaoteng, Lu Yifan, Yang Xiaoni, Sun Xihuan, Zhang Xuelan, Pang Yaqi

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Hydraulic capsule pipeline refers to the new type of transportation for goods in hollow containers in low carbon and environment-friendly way, particularly for agricultural products. Specifically, the farm products were sealed in airtight containers for point-to-point transportation through fixed pipelines, where the water pressure was taken as the power. Since the guide vanes are added around the capsule body, the water flow will generate circumferential velocity. Therefore, the length of guide vanes inevitably poses a great influence on the distribution and size of circumferential velocity. In this study, experimental and theoretical analysis was used to investigate the velocity characteristics of spiral flow in the cross section of the capsule with the length of the guide vane as the control variable. The results show that the axial velocity distribution of each cross-section was all the same with different lengths of guide vane. Specifically, the fluctuation of axial velocity decreased in each section between capsules, indicating the more uniform distribution of axial velocity, with the increase in the length of the guide vane. There was no major change in the axial velocity, but positive and the same as the water flow direction, with the increase in the length of the guide vane. Furthermore, the circumferential velocity gradient along each section between capsules first decreased, and then increased with different guide vane lengths, while the maximum and minimum circumferential velocity appeared near the upstream capsule. More importantly, the length of the guide vane presented the greatest influence on the circumferential flow velocity. The circumferential flow velocity increased with the increase of guide vane length, with a maximum of up to 1.2 m/s. The value of circumferential velocity was positive or negative, indicating that the circumferential velocity was divided into two directions, clockwise and counterclockwise along the circumference. The radial velocity gradient was the largest in the area near the upstream capsule, while smaller in the middle section between capsules under different guide vane lengths. There was a gradual decrease difference between the maximum and minimum radial velocity in the same section, where the radial velocity value was more uniform, with the increase of guide vane length. Compared with the circumferential velocity, the radial velocity was less affected by the length of the guide vane, and the radial velocity was positive or negative, indicating that the radial velocity was directed to the center of the circle and away from the center of the circle. The axial, circumferential, and radial velocity distribution on the same measuring ring was wavy under different guide vane lengths, ranging from -1.2 to 3.5 m/s, -0.6 to 1.2 m/s, and -1.6 to 1.2 m/s, respectively. The axial, circumferential, and radial velocity values were at the polar angle of 60°, 180°, and 300°. The peak value appeared at all the positions. The finding can provide a strong theoretical basis for the optimal design of capsule pipeline hydraulic transportation.

flow field; experiment; pipe; hydraulic transportation; capsule; length of guide vane; spiral flow; flow velocity characteristics

李永业，张奇伟，宋晓腾，等. 导叶长度对囊体间断面螺旋流流速特性的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(19)：48-56.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006 http://www.tcsae.org

Li Yongye, Zhang Qiwei, Song Xiaoteng, et al. Influence of guide vane length on the velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between capsules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 48-56. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006 http://www.tcsae.org

2021-06-11

2021-09-10

国家自然科学基金资助项目（51179116）

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.1002-6819.2021.19.006

S377

A

1002-6819(2021)-19-0048-09