同型管道雙車在不同流量條件下的縫隙流軸向流速特性研究

馬成功，吳 劍，魯一凡，李永業(yè)，張雪蘭

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

0 引 言

與傳統(tǒng)運(yùn)輸方式相比[1]，筒裝料管道水力輸送技術(shù)在增加運(yùn)輸量的同時(shí)，還可以降低能耗、減少污染[2]。然而，筒裝料管道水力輸送技術(shù)從理論研究到工程應(yīng)用需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的過(guò)程，之前有學(xué)者分別對(duì)管道車的荷重、徑長(zhǎng)比、直徑比以及導(dǎo)流條的角度、長(zhǎng)度和在不同雷諾數(shù)條件下的水力特性和流速特性進(jìn)行了研究[3- 6]，并主要集中于單車工況下的流速特性情況，而對(duì)雙車的流速特性研究很少。因此，本文針對(duì)同型管道雙車在不同流量條件下的縫隙流流速特性進(jìn)行研究，以豐富筒裝料管道水力輸送理論，促進(jìn)筒裝料管道水力輸送的工程運(yùn)用[7- 8]。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)由運(yùn)輸管道、動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分組成。其中運(yùn)輸管道為內(nèi)徑為100 mm的有機(jī)玻璃圓管，由水泵提供動(dòng)力，通過(guò)閥門和電磁流量計(jì)控制流量大小，最后由多普勒激光測(cè)速儀(LDV)測(cè)量管道內(nèi)水的流速。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

1.2 試驗(yàn)方案

圖3 測(cè)環(huán)和測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同流量下特征斷面的縫隙流軸向流速分布特性

軸向流速即為沿著管道軸心方向的流速。以后車車身環(huán)隙第1斷面和前車車身環(huán)隙第11斷面為例分析環(huán)隙流軸向流速分布特性，環(huán)隙斷面軸向速度分布如圖4、5所示。

圖4 不同流量下的1斷面縫隙流軸向流速分布等值線(單位：m/s)

圖5 不同流量下的11斷面縫隙流軸向流速分布等值線(單位：m/s)

由圖4和圖5可知，隨著流量的增加，各斷面的縫隙流軸向流速均增大，水流由滿管進(jìn)入管道車與管壁之間的縫隙，過(guò)流面積急劇減小，流線急劇收縮，流線較紊亂。同時(shí)流量越大，同一斷面的軸向流速梯度越大，流速分布越紊亂(該點(diǎn)速度的大小和方向隨時(shí)間的變化而不斷變化，當(dāng)流量越大時(shí)，這種變化規(guī)律越不明顯)。由于管壁與管道車壁存在摩擦阻力與粘滯阻力，靠近邊界的流速很小，軸心處流速大；流量越大流速越大，流速相對(duì)紊亂。

2.2 不同斷面上的同一測(cè)點(diǎn)的軸向速度變化

為了研究流速的沿程分布特征，以極軸0°半徑為40 mm的點(diǎn)為例(其他點(diǎn)的規(guī)律大致相同)，得到了該點(diǎn)在不同流量下不同斷面的流速大小，如圖6所示。

圖6 不同測(cè)試斷面上同一測(cè)點(diǎn)的軸向速度變化趨勢(shì)圖

由圖6可以看出，水流經(jīng)過(guò)管道車測(cè)試斷面的前部，流速增大；進(jìn)入管道車測(cè)試段的中段，縫隙流流速趨于平穩(wěn)，基本保持同一流速，速度變化浮動(dòng)小；經(jīng)過(guò)中段后，流速再次發(fā)生較大變化，后車測(cè)試段與前車流速變化情況基本相同。由Q=V×A得出，在水流經(jīng)過(guò)前車測(cè)試段前時(shí)，由于過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e突然減小(滿管變?yōu)楣艿儡嚭凸艿纼?nèi)壁形成的縫隙)，流量不變，所以使得流速增大，且流速受管道車支腳的影響，流速較紊亂；在經(jīng)過(guò)斷面1、2(或斷面11、12)后，水流經(jīng)過(guò)再分布，流速趨于穩(wěn)定，變化幅度小；到達(dá)斷面4、5(或斷面14、15)時(shí)，過(guò)流斷面面積變大，在流量不變的情況下，使流速突然變小。并且分別在流量為30、40、50 m3/h的情況下，流速變化趨勢(shì)基本相同。

2.3 同一測(cè)環(huán)不同極軸上的軸向速度變化

選取前車車中斷面13作為研究對(duì)象，對(duì)該測(cè)試斷面上的半徑分別為47.5、45、43.75、42.5 mm和40 mm的5個(gè)測(cè)環(huán)在不同極軸角度時(shí)的縫隙流流速變化進(jìn)行分析，速度分布如圖7所示。

圖7 不同測(cè)環(huán)半徑軸向速度隨極軸角度變化規(guī)律

從圖7可以得出，軸向速度隨著極軸角度的變化呈現(xiàn)波浪狀變化，但變化幅度不大，基本趨于穩(wěn)定。軸向流速關(guān)于180°呈左右對(duì)稱，主要由于該結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，方向豎直，受力因此也大致對(duì)稱，而其他兩個(gè)支腳均與之成120°夾角。在180°出現(xiàn)極小點(diǎn)，主要是由于在180°位置有支撐體存在，對(duì)水流存在阻力作用，產(chǎn)生了繞流，受重力作用也比較明顯。

2.4 同一極軸上不同測(cè)環(huán)的軸向速度變化

針對(duì)管道雙車不同位置縫隙流流速的分布情況，分別對(duì)前車的測(cè)試斷面3、滿管測(cè)試斷面8、后車測(cè)試斷面13在極軸180°處不同測(cè)環(huán)的縫隙流軸向速度進(jìn)行研究，如圖8所示。

圖8 不同斷面相同極軸的軸向速度分布

由圖8可知，前車與后車縫隙流斷面軸向流速隨測(cè)環(huán)半徑的增大都表現(xiàn)出先增大再穩(wěn)定，最后再減小的變化趨勢(shì)；而車間滿管斷面軸向速度隨著測(cè)環(huán)半徑的增大先增大后減小。這主要是由于在管道車壁和管壁表面存在較大的摩擦阻力和粘滯力，對(duì)水流的流動(dòng)有阻礙作用，所以管道中間流速大，兩邊流速小。

3 結(jié) 論

(1)流量越大，各斷面軸向流速越大，流速梯度越大。

(2)水流經(jīng)過(guò)管道車測(cè)試斷面的前部，流速增大；進(jìn)入管道車測(cè)試段的中段，縫隙流流速趨于平穩(wěn)，基本保持同一流速，速度變化浮動(dòng)小；經(jīng)過(guò)中段后，流速再次發(fā)生較大變化，后車測(cè)試段與前車流速變化情況基本相同，在車間滿管測(cè)試斷面流速突然減小。

(3)軸向速度隨著極軸角度的變化呈現(xiàn)波浪狀變化，但變化幅度不大，基本趨于穩(wěn)定。軸向流速關(guān)于180°呈左右對(duì)稱，在180°出現(xiàn)極小值。

(4)前車與后車縫隙流斷面軸向流速隨測(cè)環(huán)半徑的增大都表現(xiàn)出先增大再穩(wěn)定，最后再減小的變化趨勢(shì)；而車間滿管斷面軸向速度隨著測(cè)環(huán)半徑的增大先增大后減小。