導葉長度對管道車運移時環狀縫隙流場的影響

賈曉萌，孫西歡，李永業

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；2.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002)

在傳統管道水力輸送技術的基礎之上提出了筒裝料管道水力輸送技術。同以往的管道水力輸送技術相比，筒裝料管道水力輸送技術具有高效、節能、環保等優點。因此，加強對筒裝料管道水力輸送技術的研究對于降低資源消耗、加強環境保護和提高運輸效率都具有一定的指導意義。

所謂筒裝料管道水力輸送技術，是將需要輸運的物料盛放于密閉容器中(一般為圓柱形)，以水壓力作為動力，通過管路將物料輸送到目的地的一種運輸方式。近年來國內外學者已經對筒裝料管道水力輸送技術展開了研究。KROONENBERG[1]建立了管道車在管道中同心水平運動時的數學模型，根據數學模型計算管道車的運行速度并推導出相應壓降公式；ULUSARSLAN和TEKE[2-4]對不同輸送數量下平直管段球形管道車運移時的壓力梯度變化進行了研究，發現隨著輸送數量的增加，管道內壓力梯度增大；TAIMOOR[5]分別對管道車在平直管道和彎管運動時的流場變化進行了數值模擬，并對管道車輸運系統進行了優化。王銳等[6-7]對不同雷諾數與不同型號管道車運移時的車速和能耗進行了分析，構建了管道車運移數學模型，并通過物理試驗驗證了模型的準確性；張雪蘭等[8-9]對不同直徑條件下的管道車環狀縫隙流場進行了數值模擬，研究結果表明管道車直徑發生變化會對管道車尾部流場和環狀縫隙內部壓力場分布產生影響；張春晉等[10]對管道車在平直管段運行時形成的環狀縫隙流水力特性進行了研究，結果表明管道車的結構以及上下游流場的分布變化都會對管道車動邊界環狀縫隙流場的水力特性產生影響。以上研究成果為進一步完善筒裝料管道車水力輸送技術提供了指導和幫助。

通過添加導葉使管道車在管道中旋轉前進，可提高管道車的運移速度和輸送效率[11]。增加導葉的長度可以增大管道車的旋轉動能，但是導葉長度的增加必然會引起導葉表面積的增大，而較大的表面積會增大管道車和水流之間的摩擦阻力。同時導葉長度的變化也會對環狀縫隙流場的分布產生影響，而環狀縫隙流場的分布變化又反過來影響管道車的運移速度。因此，本文主要針對上述問題進行研究，探尋導葉長度、環狀縫隙流場和管道車運移速度之間的相互關系，以尋求合適的導葉長度。

1 試驗系統及方案

1.1 管道車及導葉結構

本次試驗所用管道車車長Lc=150 mm，外徑Dc=70 mm.管道車主要由料筒、支撐體和導葉三部分組成，如圖1所示。其中料筒用于盛放物料，由和管道材料相同的有機玻璃構成。在管道車兩端圓周上每隔120°裝有一個支撐體，前后共6個支撐體，支撐體用來保證管道車在管道中做同心運動，同時減小管道車與管壁的碰撞和摩擦。

圖1 管道車結構

沿車身圓周每隔120°安裝一根導葉，共布置3根。導葉安放角是指導葉末端切線與管道軸線所形成的夾角θ，如圖1(c)所示。根據之前對不同安放角度導葉的研究，發現導葉安放角在0到25°范圍內管道車的運行速度較大、能耗較低。因此，本次試驗將導葉的安放角定為15°.

1.2 試驗系統

試驗系統主要由動力裝置、調節裝置、投放和接收裝置以及測試裝置組成，如圖2所示。動力裝置為離心泵，調節裝置則由閘閥和電磁流量計組成，測試裝置包括紅外線計時器和LDV多普勒激光流速儀。試驗管路總長24.7 m，管道內徑100 mm，由透明有機玻璃管構成。為減小測試過程中管壁對激光的折射，在測試管段加裝矩形水套。

1-離心泵，2-調節閥，3-電磁流量計，4-管道車投放裝置，5-管道車制動裝置，6-電子計算機，7-矩形水套，8-紅外線探頭，9-計時器，10-激光流速儀，11-試驗水箱以及接收裝置

試驗開始前將水箱注滿水，之后利用投放裝置將管道車送入管道，通過離心泵將水箱中的水抽入管道，利用閘閥和流量計來調節管道內水流大小，使管道中水流到達試驗要求的流量。之后釋放管道車，當管道車運移到測點時對該點的流速進行測量；當管道車通過測試直管段起始位置處觸發紅外線測速儀開始計時，到達測試直管段末端停止計時，多次測量之后通過速度公式求取管道車運移的平均速度，最終通過管道車接收裝置進行回收。

1.3 斷面和測點布置

規定沿管道水流方向為正，沿管道車車身等距離布置三個斷面，分別記為1#、2#、3#斷面，如圖3所示。管道車壁面與管道壁面之間形成環狀縫隙，縫隙寬度L=15 mm，沿半徑方向布置五個測環，測環半徑分別為r1=dc+L/5=38 mm，r2=dc+2L/5=41 mm，r3=dc+L/2=42.5 mm，r4=dc+3L/5=44 mm，r5=dc+4L/5=47 mm，dc為管道車半徑。沿直角坐標系順時針方向每隔30°做管道半徑與測環相交，交點即為測點，每個斷面共布置六十個測點，如圖4所示。

圖3 斷面布置

圖4 測點布置

1.4 試驗方案

試驗主要研究不同導葉長度對管道車運移時的車速和環狀縫隙流場的影響，因此將導葉長度作為主要控制變量。根據之前對不同流量條件下的管道車運移特性的研究可知，當流量在40 m3/h～60 m3/h的范圍內輸送效率較高，因此本試驗選取流量為40 m3/h.所用導葉長度l分別為l1=0，l2=1/4Lc=37.5 mm，l3=1/2Lc=75 mm，l4=3/4Lc=112.5 mm，l5=Lc=150 mm，導葉粘貼起始位置為1#斷面處。具體試驗參數見表1.

表1 試驗參數

2 試驗結果分析

2.1 環狀縫隙流軸向流速分析

如圖5所示，繪制不同導葉長度下環狀縫隙流軸向流速等值線圖，規定環狀縫隙流軸向流速沿水流方向為正，反之為負。

由圖5可知：不管導葉長度如何變化，1#斷面處的環狀縫隙流軸向流速值變化最為劇烈，且等值線間距較小，即流速梯度最大，而2#和3#斷面軸向流變化相對緩和。這主要是由于1#斷面位于環狀縫隙入口處，當水流由管道進入環狀縫隙時，斷面面積收縮，水流被壓入環狀縫隙內部，流線之間的間距變小，流速梯度增大；同時1#斷面距離支撐體較近，支撐體的存在對附近流場也產生擾動，加劇了水流流態變化，使得水流在環狀縫隙入口處的變化更加劇烈。而當水流進入環狀縫隙后，受到環狀縫隙空間的約束，流態逐漸趨于穩定，軸向流速變化相對緩和。與未添加導葉時(l=0)的環狀縫隙流相比，添加導葉位置處軸向流速分布發生了改變，但變化幅度較小，而導葉長度未到達的區域軸向流速分布大致不變。通過等值線圖還發現環狀縫隙流軸向流速值均為正，表明環狀縫隙流軸向流速與水流方向相同。

圖5 環狀縫隙流軸向流速等值線分布圖

為更加直觀地研究不同導葉長度下環狀縫隙流的分布規律，選取1#斷面30°度位置處沿管徑方向的軸向流速值進行分析，如圖6所示，并繪制不同導葉長度下各斷面軸向流速平均值的變化示意圖，如圖7所示。

圖6 沿管徑方向軸向速度分布

圖7 軸向平均速度示意圖

通過圖6可以發現不同導葉長度下環狀縫隙軸向流速沿管徑方向的變化規律相同，即由管道車壁面向管道壁面呈現先增大后減小的變化趨勢。這主要是由于管道車的運移速度小于環狀縫隙流速值，管道車壁面對環狀縫隙流起到阻礙作用，因此在靠近管道車壁面附近的環狀縫隙流軸向流速值較低，隨著距離管道車壁面距離的增大，管道車壁面的阻礙作用減小，環狀縫隙流軸向流速值逐漸增大，而在管道壁面附近存在黏滯阻力，對水流也起到阻礙作用，因此靠近管道壁面時環狀縫隙流軸向流速值逐漸減小。圖7可以發現與未添加導葉的管道車相比，不同導葉長度下各斷面環狀縫隙流軸向流速平均值變小，且隨著導葉長度的增大，各斷面環狀縫隙流軸向流速平均值逐漸降低。這主要是由于導葉的存在會對環狀縫隙流起到一定的阻礙作用，而導葉長度的增加使導葉的表面積增大，從而增大了水流與導葉的接觸面積，導葉與水流之間的摩擦阻力也相應增大，因此軸向流速平均值隨著導葉長度的增大而降低。同一導葉長度下，沿水流方向環狀縫隙流軸向流速平均值呈現逐漸降低的變化趨勢，這主要是由于1#斷面位于環狀縫隙入口，水流受到管道車端面以及支撐體的阻礙作用較大，且該斷面位置處能量損失較大，因此軸向流速平均值較低，當水流進入環狀縫隙后，水流所受阻礙作用降低，流速逐漸趨于穩定，軸向流速平均值增大。

2.2 環狀縫隙流徑向流速分析

規定環狀縫隙流徑向流速沿管徑指向圓心為負，背離圓心為正，繪制環狀縫隙流徑向流速分布等值線圖，如圖8所示。

從圖8可知：同軸向流速分布類似，不管導葉長度如何變化，1#斷面處環狀縫隙流徑向流速值變化最劇烈。這主要是由于1#斷面位于環狀縫隙流入口處，當水流由管道進入環狀縫隙時，水流被擠壓四散進入環狀縫隙，在1#斷面產生指向圓心和背離圓心的徑向速度；當水流進入環狀縫隙以后，由于管道壁面和管道車壁面的束縛，水流流態趨于穩定，且流線基本與管道軸線平行，因此在徑向方向上的分速度值較小，所以2#和3#斷面徑向流速變化較緩和。與未添加導葉的管道車相比，添加導葉后的環狀縫隙徑向流速分布發生較大改變，說明導葉對徑向流速的分布變化影響較大。環狀縫隙流徑向流速值有正有負，表明環狀縫隙流徑向流速有沿管徑指向圓心和背離圓心兩個方向。

圖8 環狀縫隙流徑向流速等值線分布圖

圖9為1#斷面0°位置處徑向流速沿管徑方向的變化示意圖。從圖中可以看出，同軸向速度類似，徑向流速沿管徑方向也呈現出先增大后減小的變化趨勢，只是徑向速度的最大值位置距管道車壁面較近。圖10為徑向流速平均值分布示意圖，從圖中可以發現，隨著導葉長度的增加，各斷面的徑向流速變化規律不同，且出現徑向流速最大值的位置也有所差異，但同一導葉長度下，沿水流方向徑向流速平均值逐漸降低。從圖中還可以看出徑向流速平均值較小，且同軸向流速平均值相比最大相差2個數量級。

圖9 沿管徑方向徑向速度分布

圖10 徑向平均速度示意圖

2.3 環狀縫隙流周向流速分析

當管道車在管道中做螺旋運動時，由于水流與管道車之間相互作用，水流受導葉的影響將會產生周向運動，形成環狀縫隙流周向流速。規定沿斷面圓周切線方向呈逆時針為正，順時針為負，繪制環狀縫隙流周向流速分布等值線圖，如圖11所示。

由圖11環狀縫隙流周向流速等值線分布圖可知：同軸向和徑向流速分布類似，不管有無導葉存在，1#斷面的周向流速值變化范圍最大，且1#斷面處周向流速變化最為劇烈。從圖中還可以看出，導葉對環狀縫隙軸向流速的分布影響較大，同無導葉的管道車相比，添加導葉后的環狀縫隙周向流速分布發生改變，且周向流速值也發生較大變化，在靠近管道車壁面附近的環狀縫隙流周向流速增大趨勢最為明顯。這主要是由于導葉是環狀縫隙內產生周向速度的主要因素，通過添加導葉，水流對導葉的作用力使管道車產生旋轉力矩，增大了管道車的旋轉角速度，而靠近管道車壁面的水流隨管道車一起運動，進而使得管道車壁面附近的環狀縫隙流周向流速增大。從圖中還可以發現環狀縫隙流周向流速值有正有負，表明環狀縫隙流周向流速為沿斷面圓周呈順時針和逆時針兩個方向。但各斷面環狀縫隙流周向流速值大部分為正，而靠近管道壁面附近的環狀縫隙流周向流速值為負。這主要是由于受本次試驗導葉安放角和安放位置的影響，管道車在管道中運動時呈逆時針方向旋轉，管道車在運動過程中帶動環狀縫隙內水流運動，進而使得大部分水流呈逆時針方向旋轉，而水流流過導葉邊緣時又產生繞流，形成渦旋，使得靠近管壁附近的水流周向流速發生一定的改變，部分水流做順時針方向旋轉，因此部分環狀縫隙流周向流速值為負。

圖11 環狀縫隙流周向流速等值線分布圖

圖12為1#斷面0°位置處周向流速沿管徑方向的變化示意圖。從圖中可以看出：不同于軸向和徑向流速，周向流速沿管道車壁面向管道壁面呈逐漸減小的變化趨勢，這與上文分析的管道車身壁面處周向流速值較大相符。圖13為周向平均流速示意圖，與徑向流速變化類似，隨導葉長度的增加各斷面周向流速平均值的變化規律不同，且各斷面出現周向平均流速最大值時所對應的導葉長度也不相同。隨著導葉長度的不斷增大，2#和3#斷面周向流速平均值較無導葉時明顯增大，這說明導葉長度對環狀縫隙內周向流速的影響較大，而1#斷面由于位于導葉起始位置處，受導葉影響較小，因此并未呈現出和2#、3#斷面相同的變化趨勢。環狀縫隙流周向流速平均值較徑向流速平均值大，但與軸向流速平均值相比依然較小，兩者最多相差2個數量級。

圖12 沿管徑方向周向速度分布

圖13 周向平均速度示意圖

2.4 管道車運移速度分析

管道車在管道中做同心運動，管道車外壁與管道內壁形成環狀縫隙，環狀縫隙內的水流會影響管道車的運移速度。繪制不同導葉長度下管道車平均車速、管道內水流平均流速以及環狀縫隙流平均流速三者的變化曲線，如圖14所示。

圖14 速度變化示意圖

從圖14中可以看出，同一導葉長度下，環狀縫隙流平均流速最大，而管道車運行速度最小，管道內水流平均流速保持不變；隨著導葉長度的不斷增加，管道車平均速度呈現出逐漸增大的變化趨勢，環狀縫隙流則呈現出逐漸降低的變化趨勢，且管道車平均速度和環狀縫隙流平均流速均呈現出逐漸向管道水流平均流速值靠近的變化趨勢。這主要是由于隨著導葉長度的增加，導葉在垂直管道軸線平面上的投影面積增大，受到環狀縫隙流的推力作用也相應增大，雖然導葉長度的增加同時增大了管道車所受阻力的大小，但是阻力的增加值小于推力的增加值，進而使得管道車平均速度逐漸增大。

3 結論

本文通過對不同導葉長度下管道車運移時的動邊界環狀縫隙流流場分布進行研究，得出如下結論：

1) 通過添加導葉，環狀縫隙內流場分布發生變化，隨著導葉長度的增大，環狀縫隙流呈現出逐漸減小的變化趨勢。但不管導葉長度如何變化，在環狀縫隙入口處水流變化波動最為劇烈，環狀縫隙內部水流流態相對穩定，波動較小。

2) 沿管道車壁面向管道壁面方向，環狀縫隙軸向和徑向流速變化趨勢大致相同，都呈現出先升高后降低的變化趨勢，只是軸向和徑向速度最大值出現的位置不同；而周向流速則呈現逐漸減小的變化趨勢。同軸向流速相比，徑向和周向流速值較小，最大相差2個數量級。

3) 隨著導葉長度的增加管道車運移速度逐漸增大，在導葉長度為150 mm處達到最大。管道車運移速度小于環狀縫隙流和管道水流平均流速，隨導葉長度的增加管道車運移速度呈現向管道平均流速靠攏的趨勢。