不同直徑圓柱體同心環狀縫隙流軸向速度特性研究

吳 劍，孫西歡,2，李永業

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.晉中學院，山西 晉中 030600)

筒裝料管道水力輸送是當今逐漸蓬勃發展起來的一種新型水力輸送方式[1]，其克服了漿體管道水力輸送、型料管道水力輸送工序繁瑣、運輸成本高、輸送物料單一等缺點[2-4]。而囊體管道水力輸送又存在減阻理論不完善的問題[5,6]。筒裝料管道水力輸送是將圓形管道內的圓柱體作為輸送載體，裝上物料后，在不同水流流速條件下，借助水流的流動特性，以達到物料空間輸送的過程。大量理論及試驗研究表明：管道車型號、荷載、輸送流量等試驗參數的改變都會影響管道車特性，管道車荷重與其運行速度成線性反比關系[7]。同心環狀縫隙流動水壓強沿管道車外壁到管道內壁呈現先減后增的分布[8]。流量因素對管道車的影響最為明顯，輸送流量增大，環隙斷面的壓力值整體增大[9]。

為便于試驗分析，本文將管道車料筒概化為主圓柱體模型，附屬圓柱體則由支腳結構和萬向滾珠組成。水流經過管道車形成的環隙流動概化為水流沿圓柱體母線形成的繞流流場問題。本文的研究結論為合理設計管道車型號、提高運輸效率、推動管道車應用進程提供試驗依據。

1 試驗設計

1.1 試驗系統

本試驗系統主要由管道系統、動力系統、測速系統組成，試驗系統整體布置如圖1。本次試驗采用多節內徑100 mm有機玻璃圓管作為試驗管道，測試段布設在彎管出口后4.5 m處。試驗時，在水中加入微米級的示蹤粒子，水由水泵從儲水箱抽出，流入試驗管道，通過調節閘閥開度調節流量大小，最后流至儲水箱形成一個閉合的循環回路。水流流速由無接觸式高精度的多普勒激光流速儀(LDV)測定，相關參數如下：采樣頻率>200 Hz，采樣有效率>90%，采樣時間15 s。流速儀采集的速度值能保留15位有效數字，數據處理時，保留到小數點后兩位。為了減小有機玻璃圓管對激光折射的影響，在測試管段加上一個矩形有機玻璃水套，并在里面注滿清水。

1-儲水箱；2-離心泵；3-輸水鋼管；4-電磁流量計；5-有機玻璃圓管；6-圓柱體；7-矩形水套；8-法蘭盤圖1 試驗系統整體布置Fig.1 The experimental system arrangement

1.2 圓柱體模型

圓柱體模型主要由主圓柱體和附屬圓柱體兩部分組成。主圓柱體前后兩個端面上分別布置了3個間隔為120°的輻射狀附屬圓柱體，起到了支撐主圓柱體的作用，圓柱體模型結構示意如圖2所示。

圖2 圓柱體構造示意圖Fig.2 The cylinder structure model diagram

1.3 試驗基本參數

影響同心環狀縫隙流軸向流速的因素很多，主要有主圓柱體尺寸、附屬圓柱體尺寸、流量等。綜合考慮本文的研究內容和代表性，選取同一流量下4種不同直徑圓柱體形成的縫隙流流場特性進行分析研究，試驗參數如表1所示。

表1 不同型號圓柱體試驗參數Tab.1 Test parameters of different types of cylinders

1.4 測試斷面和測點布置

本次試驗的測試斷面布置在主圓柱體的正中間位置，該斷面處的環隙水流得到一定的發展，具有一定的代表性。鑒于圓柱體縫隙流流場的復雜性，為了更加準確的測量出內部流場的分布特性，測試斷面內以同心圓的形式布置60個測點，各測環半徑依次為：

式中：D為圓形管道內徑；B為主圓柱體與圓形管道間的縫隙寬度。

各個測點位置如圖3所示。

圖3 測點布置Fig.3 Measuring point arrangement

2 試驗結果分析

2.1 軸向速度整體分布規律

水流在環隙區域內的運動主要表現為軸向運動，圖4分別為直徑50、60、70、80 mm圓柱體中心斷面內的水流軸向速度整體分布情況。

4種不同直徑的圓柱體形成的環隙流域內，水流的軸向速度與理想狀態的圓管水流同心環狀分布有很大區別。因為附屬圓柱體對環隙流場的擾動，從而使軸向速度分布較為紊亂。從測試斷面流速整體分布等值線圖來看，環隙水流軸向速度呈現出外側區域流速整體上大于內側區域流速的分布。這主要是因為管道中的水流進入縫隙流場中時，由于圓柱體的阻礙作用，使得環隙區域軸向速度內側小于外側。隨著圓柱體直徑的增大，環隙水流的軸向速度等值線呈現出由稀疏逐漸變密集的趨勢，說明斷面軸向水流流速梯度逐漸增大，這主要是由于圓柱體直徑越大，環隙寬度越小，相對于測區，擾動面積越大，附屬圓柱體對環隙水流的擾動作用越顯著，增加了水流流動的復雜性。

2.2 相同極軸上軸向速度變化規律

本試驗共布置12條極軸，本節選取6條極軸上的測點速度進行分析，選取原則為每隔1條極軸選取出一條作為分析對象，相應折線圖如圖5所示。

圖4 不同直徑圓柱體中心斷面軸向速度等值線圖(單位：m/s)Fig.4 Axial velocity contours of central section with different diameter cylinders

據圖5分析可知：軸向速度呈現先增后減的趨勢，最大值出現在第4個測環處。這是由于流體具有黏滯性，管道內壁及圓柱體外壁處的液體質點黏附在固定邊壁上，使得壁面處的速度為零；同時因主圓柱體對環隙內測處水流有一定的阻礙作用，使得極軸上呈現環隙內側速度值較小，外側速度值較大的分布。隨著主圓柱體直徑增大，實測的軸向平均流速分別為1.91、2.14、2.85、3.81 m/s，而同一極軸上的軸向速度值離散程度減小，其標準偏差分別為0.53、0.46、0.17、0.11，這表明壁面區和流體黏滯性在主圓柱體直徑越大時對紊流的抑制作用越明顯。

2.3 相同測環上軸向速度變化規律

為分析不同直徑條件下，同一個測環上各個測點速度的變化規律，繪制出相應的折線圖，以便直觀地反應出軸向速度變化規律。

從圖6可以看出：不同直徑圓柱體相同測環上測點軸向速度呈現“波浪”式分布。當圓柱體直徑逐漸增大時，各測環之間軸向速度差值逐漸變小。這是因為當圓柱體直徑較小時，縫隙寬度大，環隙水流得到充分發展，各測環上的軸向速度差別較大。當主圓柱體直徑增大，縫隙寬度減小時，由于圓柱體外壁和管道內壁都存在2～3 mm厚的壁面區，相對于流域，壁面區所占的比重越大，而壁面區對紊流有抑制作用，測環之間的軸向速度極差越小。相同測環上極差均值分別為1.15、0.81、0.39、0.25 m/s，這與相同極軸上軸向速度的規律類似。從圖6還可以看出：環隙區域共存在3個波谷，其極軸角度分別為0°(360°)、120°、240°，而這正好是布置附屬圓柱體時的極軸角度。由于附屬圓柱體結構對水流的擾動作用，使得正好位于其正后方的測點軸向速度較小，而在附屬圓柱體的兩側則出現速度峰值，共存在3個波峰。

圖5 不同直徑圓柱體相同極軸上軸向速度變化圖Fig.5 Axial velocity variation of measuring points on the same pole of cylinder with different diameters

圖6 不同直徑圓柱體相同測環上軸向速度變化圖Fig.6 Axial velocity variation of measuring points on the same ring of cylinder with different diameters

3 結 語

通過對不同直徑圓柱體在同一流量條件下，管道中形成的同心環狀縫隙流速度特性進行研究，得出以下結論。

(1)環隙水流軸向速度沿徑向從圓柱體外壁到管道內壁呈現出先增后減的變化規律。

(2)隨著主圓柱體直徑的增大，極軸上與各測環間測點軸向速度逐漸變得較為均勻。

(3)位于附屬圓柱體結構后的測點軸向速度整體有明顯的下降，其兩側的軸向速度出現峰值。

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