李永業(yè)，龐雅琦，宋曉騰，賈曉萌，魯一凡，孫西歡，張雪蘭

導(dǎo)流條安放角度對(duì)管道車(chē)間斷面螺旋流流速特性的影響

李永業(yè)，龐雅琦，宋曉騰，賈曉萌，魯一凡，孫西歡，張雪蘭

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

為分析筒裝料螺旋流管道水力輸送的能耗問(wèn)題，該研究以導(dǎo)流條安放角為主要控制變量，采用理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的螺旋流流速特性。結(jié)果表明：不同導(dǎo)流條安放角條件下，管道車(chē)間斷面的軸向流速分布趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先由管壁向內(nèi)擴(kuò)散，再由管軸線(xiàn)向外擴(kuò)散的分布特征，且管道車(chē)間各斷面軸向流速值整體較大，最大值達(dá)到3 m/s。不同導(dǎo)流條安放角下車(chē)間斷面的徑向流速基本在?1～1 m/s之間波動(dòng)，且徑向流速值為0的區(qū)域相對(duì)較大；隨著導(dǎo)流條安放角度的增加，管道車(chē)間斷面的徑向流速逐漸呈現(xiàn)120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布，且在0°、120°與240°極軸方向上徑向流速值較小。相較于軸向和徑向流速，周向流速受導(dǎo)流條安放角的影響最大，且周向流速?gòu)?qiáng)度隨導(dǎo)流條安放角的增大而增大，最大值能達(dá)到1.5 m/s。同時(shí)隨著導(dǎo)流條安放角的逐漸增大，沿圓周斷面呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的周向速度增加；同徑向流速類(lèi)似，隨著導(dǎo)流條安放角的增加，管道車(chē)間斷面的周向流速也逐漸呈現(xiàn)120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布，但在0°、120°與240°極軸方向上周向流速值反而較大。該研究不僅完善了管道螺旋流理論，而且可為筒裝料管道水力輸送技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論參考。

流速；管道；輸送；螺旋流；導(dǎo)流條安放角；管道車(chē)

0 引 言

目前，運(yùn)輸業(yè)的能源損耗、環(huán)境污染等問(wèn)題已成為社會(huì)關(guān)注的重要問(wèn)題，農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸所依賴(lài)的傳統(tǒng)運(yùn)輸方式已不能滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的運(yùn)輸需求，且現(xiàn)階段常用的輸送方式存在耗能高、污染大[1-3]等問(wèn)題，筒裝料管道水力輸送技術(shù)的出現(xiàn)為農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸提供了一個(gè)新的方向。筒裝料管道水力輸送技術(shù)屬于囊體管道水力輸送的范疇[4-6]，該技術(shù)主要是將農(nóng)產(chǎn)品盛裝并密封在圓柱狀的管道車(chē)內(nèi)部，并借助流體的推力實(shí)現(xiàn)管道車(chē)在有壓管道內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)輸物品與輸送介質(zhì)分離，避免混摻[7]。

由于管道車(chē)車(chē)身加裝了導(dǎo)流條，從而使管道車(chē)在管道內(nèi)運(yùn)移時(shí)有螺旋流產(chǎn)生，而螺旋流的產(chǎn)生又會(huì)反過(guò)來(lái)影響管道車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，想要更好的對(duì)管道車(chē)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，就要了解管道螺旋流的分布變化特性。Eills[8]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)單個(gè)管道車(chē)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，管道車(chē)運(yùn)動(dòng)速度隨著管道車(chē)直徑和水流雷諾數(shù)的增大而增大。Kroonenberg[9]構(gòu)建了管道車(chē)在平直管道內(nèi)做同心運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了管道車(chē)運(yùn)動(dòng)速度和環(huán)狀縫隙流流速公式，并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。Ma等[10]研究了雷諾數(shù)為200時(shí)，管道車(chē)與管道間不同縫隙比下的縫隙流流動(dòng)特性，分析了縫隙比從0.03到0.3間變化時(shí)縫隙流的流速、邊界層流動(dòng)的演變和尾跡流動(dòng)的變化規(guī)律。Mohamed等[11]采用3種不同的湍流模型對(duì)長(zhǎng)直圓柱型管道車(chē)與管道所形成的同心環(huán)狀縫隙流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，并對(duì)3種模型的計(jì)算精度進(jìn)行了對(duì)比。Taimoor等[12-13]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)單個(gè)管道車(chē)在直管、彎管以及垂直管段運(yùn)移時(shí)的水力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并依據(jù)最小成本原則對(duì)輸送系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。鄭偉[14]分別對(duì)不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度下靜止單個(gè)管道車(chē)所形成的環(huán)狀縫隙流特性進(jìn)行了研究，探討了環(huán)狀縫隙內(nèi)的水流速度、壓強(qiáng)與導(dǎo)流條長(zhǎng)度之間的相互關(guān)系。Zhang等[15]對(duì)不同導(dǎo)流條安放角下的單個(gè)管道車(chē)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：管道車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角速度、運(yùn)移速度均與導(dǎo)流條安放角呈正相關(guān)關(guān)系。Jia等[16]對(duì)管道車(chē)壁面的受力特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)管道車(chē)壁面切應(yīng)力隨著雷諾數(shù)的增大而增大。綜上可以看出，目前的研究多集中于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的單個(gè)管道車(chē)的流場(chǎng)特性和運(yùn)動(dòng)特性，而對(duì)兩個(gè)管道車(chē)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的水力特性研究卻少有涉及，而隨著研究的不斷深入和完善以及運(yùn)輸量的不斷提高，兩個(gè)或多個(gè)管道車(chē)必將成為今后研究的重點(diǎn)[17-18]。

管道車(chē)間流場(chǎng)的變化會(huì)對(duì)管道車(chē)的運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生影響，而加強(qiáng)對(duì)管道車(chē)間流場(chǎng)特性的研究有助于更好的了解管道車(chē)之間的相互作用[19-20]。因此，本文通過(guò)水力學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)理論與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的螺旋流流速特性進(jìn)行研究，以期為筒裝料管道水力輸送技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化提供一定理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 試驗(yàn)裝置與管道車(chē)結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由抽水及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、試驗(yàn)管道系統(tǒng)、儀器量測(cè)系統(tǒng)3部分組成。其中抽水及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)由鋼水箱、離心泵、電磁流量計(jì)組成；試驗(yàn)管道由內(nèi)徑為100 mm，壁厚為5 mm的有機(jī)玻璃圓管組成，有機(jī)玻璃圓管之間由法蘭相連；流速測(cè)量?jī)x器為粒子圖像測(cè)速儀。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

試驗(yàn)開(kāi)始前先將管道車(chē)固定在測(cè)試管段以形成完整回路，通過(guò)標(biāo)定板對(duì)相應(yīng)的測(cè)試斷面進(jìn)行標(biāo)定，之后利用坐標(biāo)架對(duì)激光和相機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得相機(jī)找到相應(yīng)的測(cè)試斷面。標(biāo)定完成后在鋼水箱中加入水和示蹤粒子，通過(guò)離心泵將鋼水箱中的水抽入管道中，利用閘閥對(duì)管道內(nèi)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)電磁流量計(jì)來(lái)觀(guān)察管道內(nèi)流量的大小，待管路中的水流穩(wěn)定之后通過(guò)粒子圖像測(cè)速儀對(duì)研究管段內(nèi)的水流速度進(jìn)行測(cè)試，然后根據(jù)研究管段上標(biāo)定的坐標(biāo)值得出相應(yīng)測(cè)試斷面位置對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)速度值，最終利用surfer軟件繪制出相應(yīng)測(cè)試斷面的速度分布云圖。

本研究的管道車(chē)結(jié)構(gòu)主要由料筒、支腳、導(dǎo)流條3部分構(gòu)成。其中：料筒為5 mm厚的有機(jī)玻璃空心圓柱，其長(zhǎng)度為150 mm，外徑為70 mm，厚度為5 mm；管道車(chē)前后兩端各安裝3個(gè)支腳，每?jī)蓚€(gè)支腳之間夾角為120°；導(dǎo)流條由厚度為3 mm，高度為10 mm的有機(jī)玻璃加工制作而成，等間隔粘結(jié)在料筒的外表面。安裝導(dǎo)流條時(shí)，將其和支腳錯(cuò)開(kāi)，并按120°等間隔角布置。管道車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。導(dǎo)流條安裝時(shí)進(jìn)水端的切線(xiàn)與水流方向平行，出水端末端的切線(xiàn)與水流方向之間形成的銳角定義為導(dǎo)流條安放角，導(dǎo)流條安放角示意圖如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)工況

本文主要研究不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的螺旋流流速特性，故以導(dǎo)流條安放角度為主要控制變量，以5°為間隔，選用5°、10°、15°、20°、25°五種導(dǎo)流條角度，導(dǎo)流條沿管道軸線(xiàn)的長(zhǎng)度與管道車(chē)料筒的長(zhǎng)度相同，導(dǎo)流條高度=10 mm，導(dǎo)流條的個(gè)數(shù)為3。試驗(yàn)所選流量=40 m3/h。

1.2.2 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

在試驗(yàn)中，每次使用相同導(dǎo)流條安放角度的兩個(gè)管道車(chē)進(jìn)行測(cè)量，管道車(chē)之間相距150 mm，在兩管道車(chē)之間設(shè)置3個(gè)測(cè)試斷面，順著水流方向依次為斷面1#、2#、3#。其中2#測(cè)試斷面位于1#和3#斷面中點(diǎn)位置處。測(cè)試斷面布置如圖4a所示。每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置采用極坐標(biāo)的布置方法，以管道軸心為圓心，每個(gè)測(cè)試斷面上布有5個(gè)測(cè)環(huán)，12條測(cè)軸。測(cè)環(huán)以管道測(cè)試斷面的圓心為圓心，半徑分別為9、18、27、36、45 mm，測(cè)軸以管道測(cè)試斷面的圓心為交點(diǎn)，相鄰兩條測(cè)軸之間夾角為30°。測(cè)環(huán)與測(cè)軸的交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)，共61個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4b。

2 結(jié)果與分析

2.1 管道車(chē)間螺旋流軸向流速分析

不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的軸向流速分布如圖5所示。圖5可以看出：

1）在不同導(dǎo)流條安放角條件下，管道車(chē)間斷面的軸向流速分布趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先由管壁向內(nèi)擴(kuò)散，再由管軸線(xiàn)向外擴(kuò)散的分布特征。管道中水流流經(jīng)管道后車(chē)進(jìn)入車(chē)間斷面時(shí)，由于管道車(chē)外壁安裝導(dǎo)流條與支撐體，水流受導(dǎo)流條的引流作用與支撐體的阻礙作用，1#斷面的軸向流速分布呈現(xiàn)靠近管壁處較大，其最大值能達(dá)到3 m/s，而在管軸中心處軸向流速值較小。隨著水流流至2#斷面，受管道后車(chē)導(dǎo)流條與支撐體的影響減少，水流逐漸開(kāi)始發(fā)展，靠近管壁處流速較大的水流開(kāi)始向管軸中心流動(dòng)，2#斷面管道壁面處的軸向流速值小于1#斷面，而管中心處的軸向流速逐漸增大，低流速區(qū)域逐漸收縮，即圖中中心藍(lán)色區(qū)域面積逐漸減小。水流流過(guò)2#斷面后，開(kāi)始逐漸靠近管道前車(chē)支撐體，受管道前車(chē)支撐體的阻礙作用，3#斷面水流軸向流速中心區(qū)域低速區(qū)開(kāi)始向近壁處擴(kuò)散，中心低速區(qū)在圖中所占面積逐漸增加，而近壁處軸向速度較大的區(qū)域則呈120°對(duì)稱(chēng)分布，且3#斷面中心區(qū)域的軸向流速值變化相對(duì)較小，軸向流速值大多集中在1～1.5 m/s之間。

2）整體來(lái)看，1#斷面軸向流速值3#斷面低，1#斷面中軸向流速集中于中心的低流速區(qū)域較3#斷面中心區(qū)域范圍更大一些，1#斷面近壁處的軸向流速與其中心區(qū)域軸向流速極差大，整體軸向流速分布在3個(gè)斷面中最不均勻。

為更加直觀(guān)反映導(dǎo)流條安放角度的變化對(duì)于管道車(chē)間斷面螺旋流軸向流速值大小的影響，對(duì)管道車(chē)間斷面范圍內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的軸向流速值進(jìn)行分區(qū)間統(tǒng)計(jì)，區(qū)間步長(zhǎng)選定為1 m/s，共設(shè)5個(gè)區(qū)間：(?1，0)、[0, 1)、[1, 2)、[2, 3)、[3, 4)。圖6為管道車(chē)間斷面的軸向流速隨導(dǎo)流條安放角變化的百分比堆積柱狀圖，從圖6中可以看出：

1）管道車(chē)間各斷面的軸向流速值大致在(?1，4) m/s之間，且1#斷面處的軸向流速值變化波動(dòng)較大，在各個(gè)流速區(qū)間都占有比例，而沿水流方向，軸向流速值變化波動(dòng)逐漸降低并趨于均勻化。3#斷面處的軸向流速值最為均勻，軸向流速大多集中于[1, 2) m/s區(qū)間內(nèi)。這主要是由于1#斷面距離管道后車(chē)較近，受斷面突然擴(kuò)張和支撐體的擾動(dòng)影響，水流流態(tài)變化劇烈，從而導(dǎo)致水流流速值變化波動(dòng)較大，而水流在到達(dá)3#斷面之前經(jīng)過(guò)重新分布變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定，從而使得該斷面軸向流速分布趨于均勻化。

2）當(dāng)導(dǎo)流條安放角一定時(shí)，管道車(chē)間斷面范圍內(nèi)水流的軸向流速整體沿程增加，這主要是由于水流自管道后車(chē)所形成的環(huán)狀縫隙流出時(shí)，由于斷面的突然擴(kuò)張，使得水流擴(kuò)散進(jìn)入車(chē)間區(qū)域，流線(xiàn)在環(huán)狀縫隙出口處發(fā)生彎折，從而使水流產(chǎn)生了周向和徑向的流速，因此軸向流速隨之降低，而隨著距管道后車(chē)距離的不斷增加，水流受管道車(chē)端面的影響降低，流線(xiàn)也逐漸恢復(fù)平直狀態(tài)，使得水流沿管道軸向的分速度逐漸增大，即軸向流速值增大。

3）從1#斷面～3#斷面，隨著車(chē)間斷面與管道后車(chē)支撐體距離的增加，負(fù)值軸向速度呈現(xiàn)先減小至消失后又出現(xiàn)的變化趨勢(shì)。這主要是由于1#斷面受管道車(chē)車(chē)體擾流影響，在其附近有渦旋產(chǎn)生，從而使得軸向流速出現(xiàn)負(fù)值，而2#斷面處在管道車(chē)間中部位置，受管道車(chē)車(chē)體擾流影響較小，因此軸向流速均沿水流方向，而當(dāng)水流到達(dá)3#斷面時(shí)，部分水流受管道前車(chē)端面的阻擋作用而使流速發(fā)生轉(zhuǎn)向，從而使得軸向流速逆水流方向而出現(xiàn)負(fù)值。

2.2 管道車(chē)間斷面螺旋流徑向流速分析

不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的徑向流速分布如圖7所示。規(guī)定徑向流速沿管道半徑指向圓心為負(fù)，背離圓心為正。由圖7可以看出：

1）隨著導(dǎo)流條安放角度的增加，管道車(chē)間斷面上的徑向流速逐漸呈現(xiàn)120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布，大約在60°、180°與300°極軸方向，徑向流速為正值且數(shù)值較大；在導(dǎo)流條安放角為0°、120°、240°極軸方向徑向流速值偏小。這主要是由于管道車(chē)的支撐體是120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布的，當(dāng)水流流經(jīng)管道車(chē)的導(dǎo)流條與支撐體時(shí)，水流受到強(qiáng)制導(dǎo)向作用力而產(chǎn)生螺旋流，使得與支撐體相重疊的極軸方向產(chǎn)生徑向流速。

2）導(dǎo)流條安放角為10°、15°、20°時(shí)，管道車(chē)間斷面徑向流速旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布較為明顯，導(dǎo)流條安放角為5°和25°時(shí)的管道車(chē)間斷面徑向流速旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布不明顯。

3）相較于軸向流速值而言，徑向流速值要小的多，兩者最大相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。不同導(dǎo)流條安放角下1#和2#斷面的徑向流速負(fù)值區(qū)域較大，而3#斷面的徑向流速值基本都為正，且該斷面的徑向流速值變化相對(duì)較小，即徑向流速分布相對(duì)均勻。這主要是由于水流自環(huán)狀縫隙流出之后，產(chǎn)生向管道中心流動(dòng)的趨勢(shì)，從而造成1#和2#斷面處的徑向流速指向管道圓心，而當(dāng)水流到達(dá)3#斷面后，水流將逐漸進(jìn)入管道前車(chē)形成的環(huán)狀縫隙，此時(shí)水流產(chǎn)生向管道壁面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而造成該斷面處的徑向流速方向?yàn)楸畴x圓心。

為分析導(dǎo)流條安放角度的變化對(duì)于管道雙車(chē)車(chē)間斷面螺旋流的徑向流速的影響，將徑向流速設(shè)置步長(zhǎng)為0.5的區(qū)間，設(shè)置4個(gè)區(qū)間：(?1, ?0.5)、[?0.5, 0)、[0, 0.5)、[0.5, 1)。統(tǒng)計(jì)各斷面中所有測(cè)點(diǎn)的徑向流速在不同流速區(qū)間中所占的百分比。圖8為管道車(chē)間斷面徑向流速隨導(dǎo)流條安放角增加的百分比堆積柱狀圖，從圖8中可以看出：

1）不同導(dǎo)流條安放角下車(chē)間各個(gè)斷面的徑向流速在（?1, 1）m/s內(nèi)變化波動(dòng)，且1#斷面處的徑向流速值變化波動(dòng)最為劇烈，這主要由于1#斷面位于環(huán)狀縫隙出口處，水流自環(huán)狀縫隙流出時(shí)會(huì)發(fā)生類(lèi)圓柱繞流現(xiàn)象，從而在車(chē)間形成一個(gè)尾渦區(qū)，而1#斷面正好位于尾渦區(qū)范圍內(nèi)，因此徑向流速變化波動(dòng)較大，同時(shí)加上支撐體對(duì)1#斷面附件水流的擾動(dòng)，使得徑向流速的變化波動(dòng)更加劇烈。而2#斷面的徑向流速值變化波動(dòng)最小，這主要是由于該斷面附近水流受管道車(chē)的影響相對(duì)較小，水流流態(tài)逐漸穩(wěn)定，水流流線(xiàn)幾乎平行于管道軸線(xiàn)，從而造成沿徑向的分速度逐漸減小且趨于穩(wěn)定。而3#斷面距離管道前車(chē)較近，受管道前車(chē)端面和支撐體的影響，水流在該斷面附近再次發(fā)生擾動(dòng)，水流流態(tài)不再穩(wěn)定，徑向流速波動(dòng)增大。

2）對(duì)于同一斷面而言，徑向流速值并未隨著安放角的增大發(fā)生較大變化，即導(dǎo)流條安放角對(duì)管道車(chē)間斷面徑向流速值的變化影響較小，同時(shí)與軸向流速分布進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，徑向流速在車(chē)間區(qū)域的變化程度不如軸向流速變化的劇烈，即導(dǎo)流條對(duì)徑向流速的影響程度要小于軸向流速。

2.3 管道車(chē)間斷面螺旋流周向流速分析

不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的周向流速分布如圖9所示。規(guī)定沿圓周切線(xiàn)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹芟蛄魉俚恼较?，沿圓周切線(xiàn)順時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹芟蛄魉俚呢?fù)方向。由圖9可以看出：

1）同徑向流速分布類(lèi)似，隨著導(dǎo)流條安放角度的增加，周向流速也呈現(xiàn)120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的分布趨勢(shì)，在0°、120°、240°極軸方向上存在周向流速值較大的區(qū)域。這主要是由于管道車(chē)車(chē)體上存在導(dǎo)流條，導(dǎo)流條的作用使得流經(jīng)管道車(chē)壁面附近的水流產(chǎn)生周向速度，從而使得該區(qū)域附近的周向流速值增大。

2）車(chē)間各斷面周向流速在半徑為27 mm的測(cè)環(huán)上發(fā)展較為充分，周向流速值偏大。在圓心處及近管壁處周向流速值偏小。近壁處水流受到管壁的黏滯作用，使得周向流速發(fā)展受到抑制。

3）各個(gè)斷面圓心處的周向流速以負(fù)方向流速居主導(dǎo)位置，流速數(shù)值偏小，基本在0附近波動(dòng)。同軸向流速相比，周向流速值較小，但是周向流速值要大于徑向流速值，即導(dǎo)流條對(duì)周向流速的影響程度要大于徑向流速。

4）隨著導(dǎo)流條安放角的增加，周向流速值正值區(qū)域不斷增大，即周向流速沿逆時(shí)針?lè)较虻膮^(qū)域不斷增大，同時(shí)隨著導(dǎo)流條安放角的不斷增大，周向流速的強(qiáng)度也在逐漸增加，周向流速值最大可以達(dá)到1.5 m/s，說(shuō)明導(dǎo)流條安放角的增大促進(jìn)了車(chē)間斷面周向流速的發(fā)展。

為分析導(dǎo)流條安放角度的變化對(duì)于管道車(chē)間斷面螺旋流的周向流速的影響，與徑向流速相似，同樣設(shè)置4個(gè)區(qū)間：(?1,?0.5)、[?0.5,0)、[0,0.5)、[0.5,1)。統(tǒng)計(jì)各斷面中所有測(cè)點(diǎn)的周向流速在不同流速區(qū)間中所占的百分比。圖10為不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的周向流速在流速區(qū)間分布的百分比堆積柱狀圖。由圖可以看出：

1）不同導(dǎo)流條安放角條件下，管道車(chē)間斷面周向流速百分比柱狀堆積圖呈階梯狀分布。對(duì)于同一斷面而言，隨著導(dǎo)流條安放角的增加，在(?1,0.5) 這一區(qū)間內(nèi)的周向流速占比逐漸減小，而在[0.5,1) 這一區(qū)間內(nèi)的周向流速占比逐漸增加，即導(dǎo)流條安放角的增加與周向流速的增加呈正比關(guān)系，導(dǎo)流條安放角越大，周向流速在高流速區(qū)間的分布所占比例越大，但隨導(dǎo)流條安放角的增加沿圓周切線(xiàn)順時(shí)針?lè)较蛑芟蛄魉僬急戎饾u減小。對(duì)比管道車(chē)間斷面的軸向和徑向流速值變化可以看出，導(dǎo)流條安放角的變化對(duì)周向速度影響最大。

2）同軸向和徑向流速分布變化相類(lèi)似，當(dāng)導(dǎo)流條安放角一定時(shí)，1#斷面處的周向流速值變化波動(dòng)最大，而3#斷面的周向流速值變化波動(dòng)最小。這主要是由于1#斷面處在尾渦區(qū)附近，使得流速變化比較劇烈，而3#斷面遠(yuǎn)離尾渦區(qū)，水流流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，相應(yīng)的周向流速分布也趨于穩(wěn)定。

綜合全文分析，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，合理的導(dǎo)流條安放角范圍應(yīng)選擇在10°～20°之間。

3 結(jié) 論

1）不同導(dǎo)流條安放角條件下，管道車(chē)間斷面的軸向流速分布趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先由管壁向內(nèi)擴(kuò)散，再由管軸線(xiàn)向外擴(kuò)散的分布特征。

2）隨著導(dǎo)流條安放角度的增加，管道車(chē)間斷面上的徑向流速逐漸呈現(xiàn)120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)分布，在60°、180°與300°極軸方向徑向流速為正值且數(shù)值較大；在0°、120°與240°極軸方向徑向流速值偏小。管道車(chē)間各個(gè)斷面的徑向流速值均在區(qū)間（?1, 1）m/s之間。

3）隨著導(dǎo)流條安放角度的增加，管道車(chē)間斷面的周向流速也呈現(xiàn)120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的分布趨勢(shì)，在0°、120°與240°極軸方向上周向流速值較大。不同導(dǎo)流條安放角條件下，周向流速百分比柱狀堆積圖呈階梯狀分布。隨著導(dǎo)流條安放角的增加，周向流速逐漸向正方向增加，周向流速的強(qiáng)度也在逐漸增加，增幅將近1 m/s左右。

本文研究了不同導(dǎo)流條安放角條件下管道車(chē)間斷面的螺旋流流速特性，分析了導(dǎo)流條安放角對(duì)管道車(chē)間斷面的螺旋流流速特性影響，適當(dāng)?shù)脑龃髮?dǎo)流條安放角可以獲得較大的周向流速，同時(shí)管道內(nèi)的水流流速分布也比較均勻。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，合理的導(dǎo)流條安放角范圍應(yīng)選擇在10°～20°之間。

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Influence of setting angle for guide bar on velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between piped carriages

Li Yongye, Pang Yaqi, Song Xiaoteng, Jia Xiaomeng, Lu Yifan, Sun Xihuan, Zhang Xuelan

(030024,)

This study aims to explore the velocity characteristics of spiral flow between piped carriages under various setting angles of the guide bar. A combined theoretical and simulation test was adopted, where the main control variable was set as the setting angle of the guide bar. The results showed that there was basically the same trend in the distribution of axial velocity at the section of two carriages in pipeline car under the different setting angles of the guide bar, where both spread inward from the pipe wall and then outward from the pipe axis. There was an overall large value of the axial velocity at each section of car carriages, with a maximum of up to 3 m/s. In the rear car, there was a positive or negative velocity of axial flow at the cross section, indicating the backflow occurred. The velocity values of water flow were basically positive at the section of the pipeline in the middle and front of the car. There was a gradual distribution of 120° rotation symmetry in both circumferential velocity and radial flow velocity at cross-sections between piped carriages with the increase in the installation angle of the guide bar. The value of circumferential velocity was larger, but that of radial velocity was smaller in the directions of 0°, 120°, and 240° polar axes. The intensity of circumferential velocity was much stronger as the setting angle of the guide bar increased, where the maximum circumferential velocity reached 1.5 m/s, indicating a great influence of setting angle on the circumferential velocity. Furthermore, the circumferential flow velocity was positive or negative, indicating two directions, including counterclockwise and clockwise. In percentage columnar accumulation, there was a stepladder characteristic of circumferential flow velocity under different setting angles of the guide bar. A positive correlation was found between the circumferential flow velocity and the setting angle of the guide bar. The radial velocity basically fluctuated between ?1-1 m/s, where there was a relatively large area with zero. The radial flow velocity was also much smaller, compared with the axial and circumferential flow velocity. Two directions were found in the positive or negative radial flow velocity: inward and outward the circle center along the diameter. The finding can provide theoretical support for the spiral flow of pipelines and the popularization of piped hydraulic transportation.

flow velocity; pipe; transportation; spiral flow; the setting angle of the guide bar; piped carriage

李永業(yè)，龐雅琦，宋曉騰，等. 導(dǎo)流條安放角度對(duì)管道車(chē)間斷面螺旋流流速特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：87-94.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.010 http://www.tcsae.org

Li Yongye, Pang Yaqi, Song Xiaoteng, et al. Influence of setting angle for guide bar on velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between piped carriages[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2021, 37(5): 87-94. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.010 http://www.tcsae.org

2020-09-19

2021-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179116）；山西省自然科學(xué)基金（201701D221137）

李永業(yè)，博士，副教授，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械。Email：liyongye@tyut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.010

S377

A

1002-6819(2021)-05-0087-08