不同導葉高度的旋流器運動時的水力特性研究

李永業，張 濤，李 飛，張雪蘭，孫西歡

（太原理工大學 水利科學與工程學院，太原030024）

螺旋流是利用流體和特殊固體邊界的相互作用而形成的一種特有的流體［1-3］。螺旋流特有的螺旋式運動形式能夠避免水合物在管道內壁粘結，易于實現水合物漿體的連續輸送［4］。螺旋流廣泛存在于各種流體機械中，如水泵的葉輪內流場、錐形泵入口流場等［5-7］。目前對于螺旋流的研究主要有兩類：一類是對靜止導葉的研究，即水流通過靜止導葉時產生的螺旋流，如通過在流道的內壁布設導葉來產生螺旋流［8-10］，建立螺旋流流動的判據和計算模型等［11］；另一類是對運動導葉的研究，如液流推動旋槳轉動產生螺旋流［12］，建立周向運動條件下的動邊界螺旋流流固耦合模型［13］。在已有研究中，對于導葉運動時產生的螺旋流水力特性的研究，多集中于研究導葉的運動方向與來流方向垂直的情況，而對于導葉的運動方向與來流方向平行情況的研究相對較少。本文主要對運動旋流器在不同導葉高度時產生的螺旋流水力特性進行研究，以為豐富動邊界螺旋流理論提供參考。

旋流器作為產生螺旋流的裝置，主要由圓柱筒、導葉、支撐體及萬向滾珠4部分組成，具體結構見圖1.其中導葉是由厚度5mm的有機玻璃板制成的扭曲面，沿著外徑為50mm的密封圓柱筒四周三等間距布設，用于產生螺旋流；支撐體為圓柱狀，沿圓柱筒前后兩端面呈120°的間隔角各布設3個，并與管道內壁恰好接觸，從而使得旋流器的中心軸線和管道中心軸線重合，保證了旋流器的安全穩定運行；萬向滾珠安裝于支撐體的尾部，主要用于改變圓柱筒和管道內壁的摩擦方式，以減小旋流器的運動阻力，延長管道及旋流器的使用壽命。

圖1 旋流器結構示意圖Fig.1 Hydrocyclone structure diagram

1 試驗裝置

試驗裝置［14-15］如圖2所示。旋流器通過管道旁路進入內徑為100mm的試驗管路，然后通過水泵將水由蓄水池抽入裝有渦輪流量計和閘閥的輸水管道，通過調節閘閥到試驗所需流量工況，待水流穩定后，打開制動裝置釋放旋流器，旋流器在水流作用下開始運動，由于水流和旋流器上導葉的相互作用，管道內的水流形成了螺旋流。同時用七孔測針對各測試斷面水流的水力特性進行量測，并經傳感器將數據信號傳輸到計算機。旋流器隨水流進入接收裝置，接收裝置裝有帶孔隔水板，用于分離水與旋流器，水通過帶孔隔水板流至蓄水池，形成一個閉合的循環回路。

圖2 試驗系統布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system layout

七孔測針結構如圖3所示。七孔測針在使用時必須保持水平并與管軸線相垂直，且要求孔1在頂部，孔4在底部。通過測量7個孔的壓強來求出流速。所求流速大小如下式：

式中：v為水流速度，m／s；（p0L-p∞L）為局部動壓強，Pa；ρ為水的密度，kg／m3.

圖3 七孔測針結構圖Fig.3 Structural chart of seven port point gauge

2 試驗方案

旋流器上導葉的結構參數直接影響著管道內水流的旋流強度大小，導葉的結構參數主要包括導葉的高度、角度、厚度及長度，本文主要針對不同導葉高度的旋流器在運動時的水力特性進行研究。因此將旋流器上的導葉高度設為控制變量，分別為5、10、15、20mm，旋流器上的導葉角度為25°，旋流器上的導葉長度為100mm，旋流器的運動速度為0.72m／s，試驗流量為40m3／h.管道斷面的測點布置如圖4所示，為了得到各測試斷面水流的水力特性，在測試斷面左右交錯布置10個測孔，共52個測點。在管道內壁設有軌道，以保證每次測量時導葉始終處于同一位置，每種試驗工況，共需測52次，完成一個斷面的測量。測試斷面布置在旋流器上下游100mm的位置。

圖4 測點布置圖Fig.4 Measuring points layout

3 試驗結果與分析

3.1 旋流器不同導葉高度時的測試斷面壓強分布

圖5為不同導葉高度的旋流器在管道運行過程中，距旋流器上下游斷面的水流壓強分布。由圖5可以得出：

1）當旋流器位于同一斷面位置時，受旋流器上導葉高度的影響，測試斷面的水流壓強均呈現出上部斷面壓強大，下部斷面壓強小的情況。

2）同一測試斷面的水流壓強隨旋流器上導葉高度的增加而逐漸增加。其原因主要是旋流器上導葉的存在使得圓管內的水流為螺旋流。而圓管螺旋流各斷面位置的壓強和其距離管道軸心的距離有關，測試斷面距離管道軸心的距離越近，其壓強就越小，反之就越大。旋流器上導葉高度逐漸增加，使得測試斷面距離管道軸心的距離逐漸變大（離管壁越近），因而該測試斷面位置的壓強也變大。

3）比較圖5（a）與圖5（b）可以看出：針對同一測試斷面的壓強而言，旋流器位于下游處的壓強要大于旋流器位于上游處的壓強，即旋流器對后斷面水流的影響遠大于對前斷面水流的影響，而且后斷面的壓強梯度變化也大于前斷面的壓強梯度變化，后斷面形成更明顯的旋流現象。

3.2 旋流器不同導葉高度時的測試斷面流速分布

圖5 旋流器不同導葉高度時的測試斷面壓強分布Fig.5 Pressure distribution of test section at different guide vane heights of hydrocyclone

基于上述分析，旋流器運動過程對下游斷面水流的流動特性影響較大，因此對于旋流器運動過程中水流的流速分布主要分析下游斷面的分布情況。旋流器上導葉的作用使得管道內水流的流速分布呈現三維變化，所以本文從旋流器在運動過程中產生的軸向流速大小、周向流速和徑向流速分布的均勻性來判斷旋流器的水力性能，認為旋流器產生的軸向流速越大、周向流速和徑向流速分布越均勻，旋流器的水力性能就越好。

3.2.1 軸向流速

不同導葉高度的旋流器運動到測試斷面下游時，該測試斷面的軸向流速分布見圖6.由圖6可知：

1）旋流器的存在使得水流流經旋流器時會產生擾流現象，導致流線會發生收縮聚集和擴散，引起管道內水流流速的重新分布，從而導致在管壁附近軸向流速較小，在管道中心處較大，且管壁附近的流速梯度變化要大于管道中心處的流速梯度變化。

2）測試斷面水流的軸向流速隨旋流器上導葉高度的逐漸增加而呈現先增大后減小的變化趨勢，當旋流器上的導葉高度h＝15mm時，測試斷面水流的軸向流速達到最大。

圖6 旋流器位于測試斷面下游時的軸向流速分布Fig.6 Axial velocity distribution with the hydrocyclone downstream of the test section

3.2.2 徑向流速

不同導葉高度的旋流器運動到測試斷面下游時，該測試斷面的徑向流速分布見圖7.由圖7可知：

1）當旋流器運動到測試斷面下游時，該測試斷面的徑向流速在管道中軸線附近形成多個以該中軸線中心為圓心的同心環，且在這一位置徑向流速梯度變化較大。

2）測試斷面水流的徑向流速隨旋流器上導葉高度的增加而逐漸減小。其原因主要是旋流器上導葉的作用，使得管道中心處的水流因發生旋轉產生離心作用而向管壁方向流動，同時旋轉著向下游運動，而且水流的旋轉強度因旋流器上導葉高度的不同而變化，從而使徑向流速隨之改變。

3）當旋流器上的導葉高度h＝15mm時，測試斷面水流的徑向流速梯度最小，即徑向流速變化最小，且分布較為均為。

4）旋流器上的導葉對水流的導向作用，使得測試斷面不同位置處的水流徑向流速方向不同，在靠近管道中心處的水流受旋渦的影響，使得管道中心處的水流向管壁方向流動，而在靠近管壁處的徑向流速方向則正好相反。

3.2.3 周向流速

旋流器在運動過程中，由于其上導葉與水流的相互作用，水流作用在導葉的作用力下產生力矩，使得旋流器呈現螺旋式運動，而管道內的水流則由于導葉的影響而在周向產生分量，形成周向流速。即水流作用在導葉上產生的力矩作用和旋流器上的導葉高度兩因素綜合影響水流的旋轉強度。由圖8可知：不同導葉高度的旋流器所對應的水流周向流速有差異，且隨旋流器上導葉高度的增加呈現先減小后增大的變化趨勢。當旋流器上的導葉高度h＝15 mm時，周向流速分布較為均勻。

4 結論

通過對不同導葉高度的旋流器在運動時產生的螺旋流水力特性進行研究，得出以下結論：

1）當旋流器位于管道同一位置時，測試斷面的壓強與旋流器上的導葉高度呈正相關。

2）針對同一測試斷面的壓強而言，旋流器位于其下游處的壓強要大于旋流器位于其上游處的壓強，即旋流器對其后斷面水流的影響遠大于對其前斷面的影響。

3）測試斷面下游水流的軸向流速、徑向流速及周向流速隨旋流器上導葉高度的增加而分別呈現先增大后減小、逐漸減小及先減小后增大的變化趨勢。當旋流器上的導葉高度h＝15mm時，測試斷面水流的軸向流速最大，周向流速和徑向流速變化均最小且其流速分布都較均勻，因此導葉高度為15mm的旋流器其水力性能最優。

4）渦體的形成使得測試斷面的徑向流速在管壁區為負值，在管道中心處為正值。