吳劍 喬樂(lè) 孫西歡 李永業(yè)

摘要：為進(jìn)一步探討筒裝料管道水力輸送過(guò)程中管道雙車(chē)在不同車(chē)間距下縫隙螺旋流流場(chǎng)特性，采用模型試驗(yàn)、理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)雙車(chē)間距分別為10、30、50、70、90cm工況條件下管道雙車(chē)中的后車(chē)縫隙螺旋流流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)采用兩個(gè)相同型號(hào)的管道車(chē)模型在水平有機(jī)玻璃圓管內(nèi)完成，流量恒定控制為30m3/h。研究結(jié)果表明：管道雙車(chē)合理間距為50～70cm；車(chē)中斷面軸向速度極差與管道雙車(chē)間距相關(guān)性較大，車(chē)間距越大，極差越小，并逐漸趨于穩(wěn)定，而軸向速度上界與間距無(wú)關(guān)；切向速度比軸向速度小，切向速度的不均勻系數(shù)比軸向速度的大。

關(guān)鍵詞：管道雙車(chē)；車(chē)間距；縫隙螺旋流；流場(chǎng)特性；管道水力輸送

中圖分類(lèi)號(hào)：TV134.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.025

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在縫隙流和螺旋流的流動(dòng)規(guī)律、工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量研究。在縫隙流方面：李永業(yè)等[1]分析了管道車(chē)從靜止到平穩(wěn)運(yùn)移時(shí)同心環(huán)狀縫隙流的速度變化規(guī)律，并建立了數(shù)學(xué)模型；VadimTravniko等[2]研究了球體縫隙內(nèi)縫隙流場(chǎng)線性穩(wěn)定理論，得到了考慮非對(duì)稱(chēng)擾動(dòng)的縫隙流不穩(wěn)定方程；張雪蘭等[3-5]對(duì)管道車(chē)不運(yùn)動(dòng)時(shí)環(huán)隙流水力特性進(jìn)行了研究，得出了環(huán)隙水流軸向流速、切向流速和壓強(qiáng)的分布規(guī)律。在螺旋流方面Orhan Aydin等[6]提出了一種新型圓管螺旋流起旋器，并研究了不同雷諾數(shù)下，起旋器長(zhǎng)度和管道長(zhǎng)徑比對(duì)螺旋流衰減變化規(guī)律的影響；饒永超等[7]利用雷諾應(yīng)力湍流模型，模擬研究了水平圓管中短螺旋紐帶起旋的螺旋流流動(dòng)特征；Khalid M.Saqr等[8]通過(guò)對(duì)不可壓縮非恒溫管道螺旋流流動(dòng)特性進(jìn)行研究，分析了人口螺旋流強(qiáng)度對(duì)圓管內(nèi)螺旋流流速分布規(guī)律及衰減變化的影響；S.Fokeer等[9]研究了不同雷諾數(shù)條件下，流體在三葉螺紋圓管中的軸向流速與切向流速分布規(guī)律，分析了螺旋流在流體輸送中的減阻效應(yīng)及衰減率。

同心環(huán)狀縫隙螺旋是管道車(chē)在輸送物料的過(guò)程中所形成的一種新的縫隙螺旋流現(xiàn)象。管道雙車(chē)中的后車(chē)流場(chǎng)影響因素眾多，非常復(fù)雜，縫隙螺旋流的有關(guān)特性直接影響管道車(chē)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，因此對(duì)后車(chē)同心環(huán)狀縫隙螺旋流的流場(chǎng)特征進(jìn)行研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 管道車(chē)

本次試驗(yàn)的管道雙車(chē)型號(hào)相同，單個(gè)管道車(chē)的總長(zhǎng)度為210mm，直徑為70mm，其中料筒長(zhǎng)度為150mm，在其兩端面間隔120°呈輻射狀分別安裝了3個(gè)支撐體，在每個(gè)支撐與管內(nèi)壁的接觸面上都安裝一個(gè)萬(wàn)向滾珠，管道車(chē)模型見(jiàn)圖1。導(dǎo)流條為長(zhǎng)150mm、高10mm、厚3mm的有機(jī)玻璃條加工制作而成的呈扭曲面的葉片，安放角按照2°/cm的速度增長(zhǎng)，出水端總安放角為30°，導(dǎo)流條兩端打磨成流線型，每?jī)蓚€(gè)導(dǎo)流條之間間隔120°，并且要錯(cuò)開(kāi)支撐體。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由動(dòng)力與流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、試驗(yàn)管道系統(tǒng)和多普勒激光測(cè)速系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)管路由多節(jié)內(nèi)徑100mm的透明有機(jī)玻璃圓管組成，整個(gè)試驗(yàn)管道保持水平。試驗(yàn)時(shí)，流量恒定控制為30m3/h，水由水泵從儲(chǔ)水箱抽出，然后流入試驗(yàn)管道，通過(guò)調(diào)節(jié)閘閥開(kāi)度調(diào)節(jié)流量，最后流至儲(chǔ)水箱形成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。試驗(yàn)系統(tǒng)整體布置如圖2所示。

1.3 測(cè)點(diǎn)和斷面布置

每個(gè)測(cè)試斷面分為12條極軸5個(gè)測(cè)環(huán)，測(cè)環(huán)半徑R1～R5分別為47.0、44.0、42.5、41.0、38.0mm。極軸與測(cè)環(huán)的交點(diǎn)即測(cè)點(diǎn)，一個(gè)測(cè)試斷面內(nèi)共布置60個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖3），測(cè)試斷面布設(shè)在管道車(chē)車(chē)身正中間位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軸向速度分布

為了便于比較分析，繪制了不同間距下后車(chē)測(cè)試斷面水流的軸向速度（v）三維線框圖，如圖4所示（S為車(chē)間距，x、y為起點(diǎn)距）。

不同車(chē)間距下管道雙車(chē)中后車(chē)軸向速度特性相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。極差公式為

R=Xmax-Xmin（1）均值公式為標(biāo)準(zhǔn)差公式為不均勻系數(shù)公式為式中：Xmax、Xmin、Xi分別為測(cè)點(diǎn)軸向速度的最大值、最小值以及第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸向速度；N為測(cè)試斷面內(nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量；R為極差；X為平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；η為不均勻系數(shù)。

隨著車(chē)間距的增大，測(cè)試斷面軸向速度變化范圍逐漸減小，極差由1.62m/s逐漸減小到0.99m/s，然后其趨于穩(wěn)定，保持在1m/s左右，而軸向速度的上界值與車(chē)間距無(wú)關(guān)，始終穩(wěn)定在2.7m/s左右。說(shuō)明測(cè)試斷面的軸向速度極差與管道雙車(chē)間距相關(guān)性較大，而軸向速度的上界值與間距無(wú)關(guān)。這表明隨著管道車(chē)間距的增大，測(cè)試斷面水流軸向速度逐漸變得穩(wěn)定。當(dāng)車(chē)間距達(dá)到70cm時(shí)，軸向速度已經(jīng)比較穩(wěn)定，管道雙車(chē)合理間距為50～70cm。

2.2 切向速度分布

為了更加深入地分析縫隙螺旋流周向速度分布特征，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)試斷面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)切向速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖5所示。

隨著管道雙車(chē)間距變化，測(cè)試斷面內(nèi)水流切向速度整體差異并不明顯，速度均值分布在0.18～0.22m/s之間，斷面切向速度集中分布區(qū)間為0～0.4m/s。整體上來(lái)看，71%的測(cè)點(diǎn)切向速度比軸向速度小1個(gè)數(shù)量級(jí)，29%的測(cè)點(diǎn)切向速度比軸向速度小2個(gè)數(shù)量級(jí)。水流切向速度不均勻系數(shù)的均值為0.65，而軸向速度不均勻系數(shù)的均值為0.13，這說(shuō)明測(cè)試斷面內(nèi)水流軸向速度比切向速度均勻。測(cè)試斷面內(nèi)水流切向速度方向大致為順時(shí)針?lè)较?，原因是?dǎo)流條安裝時(shí)，進(jìn)水端與水流方向平行，然后沿水流方向順時(shí)針?lè)较蚺で梢欢ń嵌鹊呐で?。其中一些速度方向逆轉(zhuǎn)的測(cè)點(diǎn)無(wú)規(guī)則地出現(xiàn)在測(cè)試斷面內(nèi)，原因是水流經(jīng)過(guò)管道車(chē)支撐體結(jié)構(gòu)時(shí)，支撐體結(jié)構(gòu)對(duì)水流有一個(gè)擾動(dòng)作用，使得車(chē)身環(huán)隙處的水流方向發(fā)生改變。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管道中雙車(chē)5種車(chē)間距后車(chē)進(jìn)行縫隙螺旋流流場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）管道雙車(chē)合理間距為50～70cm。

（2）車(chē)中斷面的軸向速度極差與管道雙車(chē)間距相關(guān)性較大，間距越大，極差越小，并趨于穩(wěn)定，而軸向速度的上界值與間距無(wú)關(guān)。

（3）切向速度比軸向速度小得多，切向速度的不均勻系數(shù)比軸向速度的大，切向速度比軸向速度紊亂。

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