轉葉螺旋流消能裝置消能過程分析

秦嘉楠，延耀興，張進山

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

長距離有壓管道輸水作為我國水資源時空調度的主要方法之一有其明顯的優勢，然而在輸水過程中，管道內常因過剩水頭的存在，而使輸水系統設施遭受嚴重的危害。為此，在過去幾十年，經過前人無數次的不懈努力，管道內的消能試驗研究取得了很大進展，而利用螺旋流來對壓力管道進行消能已然成為新興的課題之一。最近，為提高螺旋流的過流能力以及管壁處螺旋流的強度，在孔板螺旋流消能裝置[1]的基礎上，延耀興、王霞等人提出一種新的壓力管道消能方式，即轉葉螺旋流消能裝置[2]，并對其進行了試驗研究后，得到了許多試驗結論，但試驗過程常會受到儀器的精度、操作復雜程度、溫度控制、外界環境穩定性以及讀數等因素的影響而致使研究結果出現誤差。為此，本文在前人試驗研究的基礎上對轉葉螺旋流消能裝置進行三維螺旋流數值模擬計算，希望從微觀方面來了解該裝置的消能過程，驗證其結構的合理性，將理論與實踐結合起來探討影響消能效果的各種參數，最終為裝置結構的優化與試驗方案的合理制定提供理論依據。

1 數值分析模型

1.1 計算假設

為減小數值模擬過程中的系統誤差，得到理想的模擬結果，在此提出如下假設： 水為不可壓縮流體，且物理屬性不隨水溫發生變化；忽略重力的影響；在有壓流的作用下，管壁邊界條件不發生變化，流體與管壁接觸層無相對滑移[3]；管道內外不發生熱交換。

1.2 模型結構說明

轉葉螺旋流消能裝置是利用轉葉孔板之間的相對扭轉角度，迫使通過的水流在短距離內發生瞬間旋轉，從而形成高強度螺旋流以達到消能目的。為便于比較數值模擬計算結果與試驗結果，本文選取的壓力模擬計算點與裝置試驗時測壓點的布置一致，如圖1所示，孔板片結構及其組合見圖2，結構參數見表1。

圖1 裝置模擬計算壓力點示意圖(單位：mm)

圖2 轉葉孔板片示意圖及其組合圖

孔板片數/片進出水管內徑/mm孔板室內徑與長度/mm單片孔板厚度/mm開口角度γ/(°)片間扭轉角度/(°)3Φ100Φ150×20001015、300、3、6

1.3 三維計算模型

根據試驗裝置結構知，本次模擬計算模型的轉葉孔板組合是將3片孔板以間距為0 mm串聯起來的，然后根據表1中裝置的結構參數建立幾何模型，把水流方向設為Z軸，過水斷面設為X-Y平面，如圖3所示。

圖3 消能裝置幾何模型

其中裝置主要部分的三維計算模型，見圖4與圖5。

圖4 管徑增大處與減小處三維計算模型

圖5 孔板組合處三維計算模型

2 數值模擬結果分析

文中通過對各特征斷面上的壓力進行數值分析，從微觀上來探究轉葉螺旋流消能裝置的消能過程；將模擬計算所得壓力與試驗各測點所測壓力進行比較來驗證裝置結構的合理性；將不同參數下模擬計算所得壓力進行數值分析來探索雷諾數、扭轉角度等參數對消能效率的影響。為便于比較分析，在數值模擬過程中沿管軸方向設置如下特征斷面：Z=100，250，300，600，930，1 050，1 300，1 700，2 100，2 300。

2.1 數據收集

文中選取以開口角度為30°，扭轉角度為6°時，不同雷諾數下通過模擬計算所得各測點的壓力值以及開口角度為30°，雷諾數為192 595時，扭轉角度為0°、3°、6°、9°下通過模擬計算所得各測點壓力值，如表2和表3所示。

表2 開口角度30°，扭轉角度6° kPa

表3 開口角度30°，雷諾數192 595 kPa

2.2 裝置消能過程的探究

根據裝置試驗研究可知：轉葉螺旋流消能裝置消能的主力區在轉葉孔板組合段[2]，因為流經此處的水流在孔板組合的強制扭轉作用下形成了流場復雜的螺旋流，而螺旋流的產生與消歿能夠引起大量的水頭損失。為從壓力層面研究裝置的消能過程及探究管道內水流復雜的流態，文中模擬并分析了裝置在開口角度為15°，扭轉角度為6°時，特征斷面上的壓力分布情況，如圖6與圖7所示。

圖6 孔板組合前特征斷面的壓力分布圖

圖7 孔板組合段后特征斷面壓力分布圖

由圖6可知：當水流剛進入消能裝置時，其流動狀態符合傳統湍流特性[4]，即在貼近管壁處，因流體與管壁的黏滯力比流體內部之間的黏滯力稍大，所以壓力稍大，管道內壓力的分布狀況是沿管徑方向壓力稍有增大，因此在管軸處水流的壓力最小，但相差不大，此時斷面的壓力分布與傳統無變徑管道內湍流的壓力分布情況一致，如圖6中Z=100所示。當水流經過管徑擴大段，流體內部結構急需調整，在管道拐角處產生了漩渦，導致管壁處壓力有所降低，而此時管道主流在擴散過程中，流束不僅與管壁發生碰撞而且流束內部之間也產生較強的相互作用，所以管軸處壓力比管壁處大些。如圖6中Z=250所示。由于拐角漩渦對水流的影響范圍是一定的，隨著水流往前流動，流態逐漸向穩定的湍流過渡，管軸附近的壓力相對減少一些，如圖6中Z=300所示。隨著漩渦對流態影響的逐漸消失，水流最終轉變為傳統意義上的湍流模式[4]，壓力逐漸恢復到經典湍流壓力分布狀態，但由于轉葉孔板組合的存在，總體壓力急劇升高。如圖6中Z=600所示。

由圖7可知：當水流流經轉葉孔板組合時，由于孔板結構的強制作用，管壁附近處水流速度變大，水流動能變大，根據能量守恒原理，管道內水流勢能減小，所以管壁處壓力會迅速減小，而管軸附近的水流速度未發生較大變化，因此壓力大小變化不大。如圖7中Z=930所示。在水流經過轉葉孔板組合后，隨著水流切向速度的急劇增大，產生了高強度的螺旋流，水流沿著管壁做螺旋運動，根據動量定理，管壁處所受壓力較大，而管軸附近會產生小部分的空水區，壓力稍有所降低。如圖7中Z=1 000和Z=1 050所示。隨著水流繼續向前流動，孔板射流的影響衰減，水流逐漸形成了穩定的螺旋流，而管軸附近因產生回流，壓力有所減小，但管壁附近的水流會繼續沿著管壁做螺旋運動，壓力較大。如圖7中Z=1 300所示。在螺旋流的作用下，流束與管壁之間以及流束內部之間的相互作用增強，水流的沿程水頭損失增多。在此之后，隨著水流繼續向前流動，螺旋流的作用逐漸衰減，最后水流將會再次過渡到傳統的湍流運動狀態，壓力分布也隨之恢復到經典湍流分布狀態，其分布規律如圖7中Z=1 700～Z=2 300所示。

上述中根據模擬計算結果分析的消能過程與裝置試驗時構想的消能過程相一致，而且經過比較圖6與圖7后可知，盡管水流最終會恢復到傳統意義的湍流模式，但在Z=2 300斷面處的壓力顯然比Z=100處的壓力減小很多，說明通過利用該消能裝置確實能夠達到消除有壓管道內過剩水頭的目的。

2.3 裝置結構的合理性驗證

為驗證試驗裝置設計的合理性，需在雷諾數Re、孔板開口角度、扭轉角度相同的情況下，將試驗所測壓力數值與模擬計算所得壓力數值進行比較，現取4組有效數據，將其分別繪制在同一坐標系下進行比較分析，如圖8所示。

圖8 不同雷諾數年下測點壓力變化比較

由圖8可看出：轉葉螺旋流消能裝置出水口的壓力較入水口的壓力降低很多，而且軟件數值模擬所得的壓力變化規律與裝置試驗研究所測得的壓力變化規律是一致的，這驗證了試驗裝置設計的合理性。

2.4 不同參數下壓力數值分析

將測點1和測點7的壓力差與測點1壓力的比值定義為轉葉螺旋流消能裝置的消能效率，以此來描述不同參數對該裝置消能效果的影響。

(1)不同雷諾數下壓力數值分析。根據表2繪制模擬所得的不同雷諾數對應的測點壓力圖以及消能效率曲線，如圖9所示。

圖9 不同雷諾數下測點壓力變化規律及消能效率曲線

將圖9與前人試驗研究[2]對比可知：當裝置開口角度，扭轉角度相同時，在不同雷諾數下，兩者測壓點的壓力值變化規律是一致的，即：當水流經過管徑擴大段時，由于過水斷面增大，壓力有所降低，但很不明顯；當水流到達轉葉孔板組合段前，由于孔板組合存在，壓力有所升高；當水流經過孔板組合段時，由于在孔板組合的強制扭轉下，形成高強度的螺旋流，而螺旋流的產生與消歿伴隨著大量能量的損失，所以隨著水流繼續前進，壓力大幅度減小。從圖9中可清晰看出該裝置的消能主力區在轉葉孔板組合段，這與裝置設計的目的一致。分析消能效率曲線可知：不同雷諾數的水流，經過同一轉葉孔板方案下的螺旋流消能裝置時，裝置的消能效果不同，且隨著雷諾數增大，裝置消能效率提高，這與試驗研究所得結論一致。

(2)不同扭轉角度下壓力數值分析。由表3可繪制模擬所得的不同扭轉角度下對應測點壓力圖以及消能效率曲線，如圖10所示。

圖10 不同扭轉角度下測壓點壓力變化規律與消能效率曲線

將圖10與前人試驗研究[2]對比可知：在雷諾數一定時，隨著裝置孔板間扭轉角度的變化，兩者消能過程中的壓力變化規律是一致的。分析消能效率曲線可知：扭轉角度對轉葉螺旋流消能裝置的消能效果有很大的影響，且隨著扭轉角度的增加，消能效率增大，消能效果也就越好，使得通過調節扭轉角度來控制該消能裝置的消能效果成為可能。與此同時，經分析裝置結構不難看出：當裝置扭轉角度為0°時，裝置相當于孔板射流裝置，由此驗證了轉葉螺旋流消能裝置的消能效果優于同類孔板射流裝置的消能效果。

3 結 語

(1)模擬計算結果分析的壓力變化規律與裝置試驗研究結果一致，轉葉螺旋流消能裝置的試驗設計合理。

(2)裝置的消能過程與試驗的構想一致，符合實際情況。

(3)一定條件下，裝置的消能效果隨雷諾數和孔板間扭轉角度的增大而增強，這表明通過調節扭轉角度來控制轉葉螺旋流消能裝置的消能效果是可行的，可為裝置結構的優化提供理論指導。

(4)試驗研究結果驗證了數值模擬的正確性，而數值模擬計算結果對消能裝置進一步的試驗研究具有指導意義。

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[1] 延耀興,張 杰.孔板螺旋流消能裝置效果試驗研究[D].太原:太原理工大學,2006.

[2] 延耀興,王 霞.轉葉螺旋流消能裝置試驗研究[D].太原:太原理工大學,2014.

[3] 胡玉生,曾丹苓.流體脈動強化對流換熱的數值模擬[D].重慶:重慶大學,2005.

[4] 吳持恭.水力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5] 延耀興,公緒英,張 杰.螺旋式孔口管道消能裝置水力特性試驗研究[J].科技情報開發與經濟,2006,16(22):168-170.