不同徑高比動導葉旋流器的管流特性
2019-12-27 08:29:02楊小妮馬娟娟李永業孫西歡
中國農村水利水電 2019年12期
楊小妮，馬娟娟，李永業，孫西歡,3
(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.太原理工大學現代科技學院，太原 030024；3.晉中學院，山西 晉中 030600)
0 引 言
螺旋流是由于特殊的流體邊界和流體的特性相互作用而形成的一種具有旋轉流場的流動形式[1-3]，在流體機械中，如水輪機的轉輪內流場，水泵的葉輪內流場及錐形泵入口流場等均屬于螺旋流[4-7]。螺旋流輸移固粒具有分布均勻的優點，被廣泛應用于粒狀物料的輸送，如：黑色冶金、有色冶金、煤炭、化工、電力、水利、城市建設等部門進行各種業精礦和尾礦、礦石、灰渣、粉煤、泥沙、城市污泥等漿體的管道輸送。同時，螺旋流對空氣的傳熱率和壓降特征也有重要的意義。目前關于螺旋流的研究主要表現在流體通過固定螺旋發生器時產生的螺旋流，一是在管道的內壁安裝導葉以此產生螺旋流。如，李永業等人通過在平直管段中增設扭曲導流片以此產生螺旋流，得出了測試斷面的流速和渦量場分布情況。試驗表明在導流片附近流速梯度較大，且旋渦向圓管中心靠近[8]。張羽等人以同樣的方式產生螺旋流，得出了軸向、徑向速度沿程的變化情況和旋流強度沿程衰減的變化過程[9,10]。林愉等人通過試驗研究和理論分析探究了該方式產生螺旋流的阻力損失和起旋效率，從而優化導流片的結構參數[11]。Steenbergen W, Voskamp J通過在圓管內壁安裝18個可調角度的葉片產生不同類型的螺旋流，并采用多普勒粒子測速儀測量不同Re情況下各類型螺旋流的衰變率，以旋流數螺旋流強度，螺旋流的衰變演化過程可擬合成指數函數。且將光滑管道中螺旋流衰減率的不確定度由50%下降到5%[12]。二是在管道內插入螺旋槳式或者不同螺距彈簧式螺旋發生器等。Betül, Ayhan Sarac, Tulin Bali以空氣為介質，研究了不同Re條件下平直管道中內置螺旋槳式的螺旋發生器的結構參數(葉片的角度和葉片的個數)對衰變螺旋流的熱交換和壓降特征的影響[13]。A.E. Zohir, A.A等人對比了內置螺旋槳自由旋轉和插入螺旋彈簧產生螺旋流對強化傳熱和壓降的影響。內置螺旋槳管道和插入螺旋彈簧管道與普通管道相比，將傳熱性能分別提高了1.69倍和1.37倍。壓力降分別增加了3倍和1.5倍[14]。而這些方式產生的螺旋流都存在沿程衰減的問題。為此，研究者開始探究螺旋流發生器運動時產生螺旋流的特性，目前研究的主要是運動的螺旋流發生器與管道之間的縫隙流的特性研究[15]，而對于螺旋流發生器上游和下游沿程的水力特性狀況鮮有研究。運動的螺旋流發生器也是通過扭曲的導流片強制流體產生螺旋流。而導葉的徑高比是螺旋流發生器的一個重要的結構參數，當導葉徑高比較低時，其切入水流的深度較小，只能對靠近螺旋流發生器的流體起強迫導旋作用，而靠近管壁的流體只能靠螺旋流發生器周圍的流體誘導成螺旋流，這種情況下，螺旋流強度較弱。反之，當導葉徑高比較高時，其強迫導旋作用很強，但流體與導流體的摩擦面增大，形成較大的流動阻力。因此，本文主要針對這一問題展開研究，以水為流動介質，對運動導葉在不同徑高比時產生的螺旋流水力特性進行研究，以尋求適當的導葉安裝徑高比。
1 試驗裝置和系統
本試驗的運動螺旋流發生器命名為旋流器，主要由導葉、小圓柱筒(D=50 mm)、支腳三大部分構成。導葉為扭曲面，由厚度為5 mm的有機玻璃板制成，沿圓柱筒的四周等間距布設三條，用于產生螺旋流；圓柱筒兩端密封；支腳主體呈圓柱狀，前端為半球狀，沿圓柱筒前后兩端面呈120°等間隔角分別布設三個，并與管內壁的三個軌道恰好接觸，其作用主要是使旋流器在運動時，旋流器的軸心和管道的軸心始終重合。旋流器的結構示意圖見圖1。
圖1 旋流器結構示意圖Fig.1 Structural representation of hydrocyclone
試驗系統[15]由供水和調節系統、流量計量系統、旋流器投放與回收系統、旋流器制動系統、輸水管路及測試系統組成。試驗系統示意圖如圖2所示。
1-離心泵；2-閘閥；3-流量計；4-投放裝置；5-制動裝置；6-直管段；7-方形水套；8-LDV；9-旋流器；10-法蘭；11-彎管；12-直管段；13-水箱；14-穩流柵板 圖2 試驗系統布置示意圖(單位：mm)Fig.2 Layout sketch of experiment facilities
旋流器通過投放裝置(如圖3所示)進入試驗管路，然后由水泵將水由水箱抽入輸水管道(管內徑D1=100 mm，外徑D2=110 mm)，輸水管路上裝有閘閥和渦輪流量計，閘閥用于調節試驗工況所需流量，渦輪流量計用于計量流量。待流量調到試驗流量工況，同時水流穩定后，打開制動系統釋放旋流器，用LDV在測試斷面對旋流器運動過程中的水力特性進行量測，測試斷面距上游彎管出口15 m處，旋流器位于測試斷面上游指旋流器運動到測試斷面上游2 m處時，旋流器位于測試斷面下游指旋流器通過測試斷面運動到測試斷面的下游，且距測試斷面兩米處的位置。水流最后經管道流入水箱，形成一個閉合的循環回路。
圖3 旋流器投放裝置Fig.3 Schematic diagram of deployment equipment
2 試驗方案
影響旋流特性的因素很多，主要有：導葉徑高比、導葉角度、導葉長度。本文主要研究不同導葉徑高比下的旋流特性，具體的設計參數和運行工況見表1。每次試驗重復3次，取平均值。
表1 旋流器的具體設計參數和運行工況Tab.1 Specific design parameters and operating conditions of Hydrocyclones
注：Q是設計流量；ε是徑高比；Uc是管道斷面的平均速度；H是旋流器的導葉高度；θ是導葉的旋轉角度；D和L分別是旋流器圓柱筒的直徑和長度；Re是滿管流的雷諾數(Re=UcD/v,v是水溫20 ℃時的運動黏滯系數)。
為了弄清測試斷面的水力特性，在測試斷面上采用極坐標的方式布置測點。設置7個測環，最外層的測環距管壁1 mm，與第二層測環間隔1 mm，其他測環間隔8 mm。沿半徑方向每隔30°布置一個極軸，測環與極軸的交點即為測點，共84個測點。
3 試驗結果與分析
3.1 不同導葉徑高比時測試斷面的壓力分布情況
旋流器在管道中運行時，其測試斷面的壓力分布情況如圖4所示。從圖中可以看出：①當旋流器位于同一斷面時，該測試斷面的壓力分布均表現為斷面上部的壓力大，下部的壓力小。其原因主要是水流經過旋流器，導葉有一定的角度，強迫水流流線發生變化，使其形成渦管流，有別于一般管流，主要特征表現為除了軸向的流動外，還有周向和徑向流動，從而也會產生有旋流動，進而使管內的壓強場發生變化。同時，測試斷面位于旋流器上游或下游2 m處的位置，螺旋流已充分發展，使其斷面壓力分布不再嚴格遵循對稱分布。②從壓力等值線圖上也可以看出，隨著旋流器上導葉徑高比的增加，旋流器位于同一位置時，測試斷面的壓力也在增加。這主要是因為出現繞流情況，因旋流器為非流線型物體，圓柱表面上的邊界層經受不起逆壓的作用就脫離物體，而在物體后面形成尾渦區[16]，由于物體尾部有旋渦發生以至使管中水流產生螺旋流。③圖4(a)與圖4(b)相比可以看出：旋流器位于測試斷面下游時測試斷面的壓力大于旋流器位于測試斷面上游時斷面的壓力，即旋流器對其后斷面水流的影響遠大于對于其前端面水流的影響。而且其后斷面的壓力梯度大于其前端面的壓力梯度，其后斷面形成更明顯的旋流現象。
圖4 測試斷面的壓力等值線圖(單位：kPa)Fig.4 Contour maps pressure of the testing section
3.2 不同導葉徑高比測試斷面速度分布情況
旋流器在平直管段中產生的螺旋流可看作由2種簡單流動疊加形成。一種是由水泵產生外來壓力的軸向Poiseuille流動，另一種是旋流器導葉強制導旋產生的周向Coutte流動。再加之水流的黏性拖曳周邊的水流螺旋運動，最終形成螺旋流。
通常，螺旋流處于紊流狀態。旋流器在管道中運動時，管道中的流速分布是三維的。本文分別從軸向、徑向、周向三個方向對帶有不同徑高比導葉的旋流器位于測試斷面下游時該測試斷面的流場特性進行研究。
圖5 旋流器位于測試斷面下游時軸向速度分布圖(單位：m/s)Fig.5 The distribution of axial velocity when the hydraulic located in the downstream of testing section
3.2.1 不同導葉徑高比測試斷面軸向速度分布情況
圖5為旋流器位于測試斷面下游時，該測試斷面的軸向速度等值線圖，從圖5中可以看出，①管中心處的流速大，靠近管壁處的流速基本較小，部分地方出現較大流速。這主要是旋流器的存在,使得水流通過時產生擾流現象。②管中心處的流速梯度小，管壁附近的流速梯度大。究其原因主要是因為導葉的影響，水流在推動旋流器向前運動的過程中，水流經過導葉時由于水的黏性作用，使流線比較聚攏，從而產生管壁附近流速梯度大的現象。③在該工況下，隨著導葉徑高比增加，其軸向速度表現為先增大后減小的趨勢，當導葉的徑高比ε=0.3時，測試斷面的軸向流速最大。這主要是因為水流推動旋流器運動主要靠旋流器前后的壓差力的作用，而對于不同徑高比導葉該作用力的位置和大小不同從而導致其軸向速度不同。
在旋流器的作用下，平直管段測試斷面沿Y軸的軸向速度分布如圖6所示。不同導葉徑高比下Y軸斷面的軸向速度變化，均呈現類對數分布，與螺旋流軸向速度的理論分析和模擬結果相吻合[17]。在中心區域，即距管軸約小于2.5 cm的范圍內，軸向流速較大，且相對比較均勻。在此范圍以外受液體黏度影響，流速變化較快。同樣，可以得出，當旋流器導葉徑高比ε=0.3時，測試斷面的軸向流速平均值最大。
圖6 測試斷面沿Y軸的軸向速度分布Fig.6 The distribution of axial velocity along the Y axis of the test section
3.2.2 不同導葉徑高比周向速度分布情況
導葉的存在是管道中水流產生周向流速的決定性因素，水流在推動旋流器向前運動的過程中，由于水流作用在導葉上的力矩使旋流器螺旋式向前運動，從而使水流在導葉的帶動下強制性旋轉。而導葉的徑高比不同，使得水流作用在導葉上的力矩不同，從而使水流的旋轉強度有所差異。
圓管螺旋流的周向速度可看作由導葉區的強制渦，近管壁處和圓管中心處的準自由渦組成。這兩個區域以最大周向速度處r1、r2為界。從圖7中可以看出，r1位于距管軸約2 cm的位置，r2位于距管軸約3 cm的位置。在r1
圖7 測試斷面沿Y軸的周向速度分布Fig.7 The distribution of circumferential velocity along the Y axis of the test section
圖8 旋流器位于測試斷面下游時周向速度分布圖(單位：m/s)Fig.8 The distribution of circumferential speed when the hydraulic located in the downstream of testing section
3.2.3 不同導葉徑高比徑向速度分布情況
從圖9中可以看出，①當旋流器位于測試斷面的下游，該測試斷面的徑向流速整體表現為：在管軸心附近形成一系列以管軸心為圓點的速度同心環，且速度梯度較大。 ②隨著導葉徑高比的增加，徑向流速在逐漸減小。這主要是由于徑向流速是由兩方面的原因引起的：一方面是由于同一斷面上流體紊動作用的結果。它的存在，也說明了速度進行重新分布，流體質量仍然守恒；另一方面在有螺旋流存在時是主要原因，即在形成螺旋流時，管中心處的流體將因旋轉產生的離心力的作用而向管壁處運動，同時旋轉著向下游運動[9]。隨著導葉徑高比的變化，水流旋轉的強度不同，從而導致其徑向速度也隨之發生變化。③當導葉徑高比ε=0.3時，整個斷面徑向流速梯度最大，即徑向流速變化最劇烈。
圖9 旋流器位于測試斷面下游時徑向速度分布圖(單位：m/s)Fig.9 The distribution of radial velocity when the hydraulic located in the downstream of testing section
由于徑向速度相比于軸向速度和周向速度，其速度值較小且對螺旋流的影響較小。故其斷面的分布情況不再贅述。
3.3 渦量場特性研究
圖10為旋流器位于測試斷面下游時軸向渦量等值線圖，從圖10中可以看出：①在測試斷面的Y軸附近渦量強度變化大。在管軸附近渦量值較大，且與水流方向相反。②當旋流器導葉徑高比ε=0.3時，渦旋的分布較均勻，且相比于其他旋流器，渦量值較大，即渦旋強度較強烈。③由于導葉和支腳的影響，測試斷面局部有小漩渦產生。
圖10 旋流器位于測試斷面下游時軸向渦量等值線圖Fig.10 Contour diagram of axial vorticity when the hydraulic located in the downstream of testing section
4 結 語
通過對運動導葉不同徑高比時的旋流特性研究，得出以下結論：
(1)隨著旋流器上導葉徑高比的增加，旋流器位于同一位置時，測試斷面的壓力也在增加。
(2)旋流器位于測試斷面下游時測試斷面的壓力大于旋流器位于測試斷面上游時斷面的壓力，即旋流器對其后斷面水流的影響遠大于對于前端面影響。
(3)在本文所述工況下，測試斷面下游水流的軸向速度隨導葉徑高比的增加表現為先增大后減小的趨勢，不同導葉徑高比下斷面的軸向速度變化均呈現類對數分布，在中心區域，即距管軸約小于2.5 cm的范圍內，軸向流速較大，且相對比較均勻。在此范圍以外受液體黏度影響，流速變化較快。其周向速度隨導葉徑高比的增加有先減小后增大的趨勢，而徑向速度隨導葉徑高比的增加逐漸減小，即導葉徑高比為0.3時，其軸向速度最大，徑向流速變化最劇烈，周向速度較均勻。
(4)測試斷面的Y軸附近有一系列渦核，且各相間渦核方向相反；當旋流器導葉徑高比ε=0.3時，渦旋的分布較均勻，且強度較劇烈。
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