管道雙車在不同車間距下的后車流場特性研究

吳劍 喬樂 孫西歡 李永業

摘要：為進一步探討筒裝料管道水力輸送過程中管道雙車在不同車間距下縫隙螺旋流流場特性，采用模型試驗、理論分析相結合的方法，對雙車間距分別為10、30、50、70、90cm工況條件下管道雙車中的后車縫隙螺旋流流場特性進行了研究。試驗采用兩個相同型號的管道車模型在水平有機玻璃圓管內完成，流量恒定控制為30m3/h。研究結果表明：管道雙車合理間距為50～70cm；車中斷面軸向速度極差與管道雙車間距相關性較大，車間距越大，極差越小，并逐漸趨于穩定，而軸向速度上界與間距無關；切向速度比軸向速度小，切向速度的不均勻系數比軸向速度的大。

關鍵詞：管道雙車；車間距；縫隙螺旋流；流場特性；管道水力輸送

中圖分類號：TV134.2 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.025

國內外許多學者在縫隙流和螺旋流的流動規律、工程應用等方面進行了大量研究。在縫隙流方面：李永業等[1]分析了管道車從靜止到平穩運移時同心環狀縫隙流的速度變化規律，并建立了數學模型；VadimTravniko等[2]研究了球體縫隙內縫隙流場線性穩定理論，得到了考慮非對稱擾動的縫隙流不穩定方程；張雪蘭等[3-5]對管道車不運動時環隙流水力特性進行了研究，得出了環隙水流軸向流速、切向流速和壓強的分布規律。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下，起旋器長度和管道長徑比對螺旋流衰減變化規律的影響；饒永超等[7]利用雷諾應力湍流模型，模擬研究了水平圓管中短螺旋紐帶起旋的螺旋流流動特征；Khalid M.Saqr等[8]通過對不可壓縮非恒溫管道螺旋流流動特性進行研究，分析了人口螺旋流強度對圓管內螺旋流流速分布規律及衰減變化的影響；S.Fokeer等[9]研究了不同雷諾數條件下，流體在三葉螺紋圓管中的軸向流速與切向流速分布規律，分析了螺旋流在流體輸送中的減阻效應及衰減率。

同心環狀縫隙螺旋是管道車在輸送物料的過程中所形成的一種新的縫隙螺旋流現象。管道雙車中的后車流場影響因素眾多，非常復雜，縫隙螺旋流的有關特性直接影響管道車運行的安全穩定性，因此對后車同心環狀縫隙螺旋流的流場特征進行研究具有重要意義。

1 試驗設計

1.1 管道車

本次試驗的管道雙車型號相同，單個管道車的總長度為210mm，直徑為70mm，其中料筒長度為150mm，在其兩端面間隔120°呈輻射狀分別安裝了3個支撐體，在每個支撐與管內壁的接觸面上都安裝一個萬向滾珠，管道車模型見圖1。導流條為長150mm、高10mm、厚3mm的有機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，出水端總安放角為30°，導流條兩端打磨成流線型，每兩個導流條之間間隔120°，并且要錯開支撐體。

1.2 試驗系統

本試驗系統主要由動力與流量調節系統、試驗管道系統和多普勒激光測速系統三部分組成。試驗管路由多節內徑100mm的透明有機玻璃圓管組成，整個試驗管道保持水平。試驗時，流量恒定控制為30m3/h，水由水泵從儲水箱抽出，然后流入試驗管道，通過調節閘閥開度調節流量，最后流至儲水箱形成一個閉合的循環回路。試驗系統整體布置如圖2所示。

1.3 測點和斷面布置

每個測試斷面分為12條極軸5個測環，測環半徑R1～R5分別為47.0、44.0、42.5、41.0、38.0mm。極軸與測環的交點即測點，一個測試斷面內共布置60個測點（見圖3），測試斷面布設在管道車車身正中間位置。

2 試驗結果分析

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測試斷面水流的軸向速度（v）三維線框圖，如圖4所示（S為車間距，x、y為起點距）。

不同車間距下管道雙車中后車軸向速度特性相關參數計算結果見表1。極差公式為

R=Xmax-Xmin（1）均值公式為標準差公式為不均勻系數公式為式中：Xmax、Xmin、Xi分別為測點軸向速度的最大值、最小值以及第i個測點的軸向速度；N為測試斷面內的測點數量；R為極差；X為平均值；σ為標準差；η為不均勻系數。

隨著車間距的增大，測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，然后其趨于穩定，保持在1m/s左右，而軸向速度的上界值與車間距無關，始終穩定在2.7m/s左右。說明測試斷面的軸向速度極差與管道雙車間距相關性較大，而軸向速度的上界值與間距無關。這表明隨著管道車間距的增大，測試斷面水流軸向速度逐漸變得穩定。當車間距達到70cm時，軸向速度已經比較穩定，管道雙車合理間距為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，運用SPSS統計分析軟件對測試斷面內各測點切向速度進行了統計分析，如圖5所示。

隨著管道雙車間距變化，測試斷面內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間為0～0.4m/s。整體上來看，71%的測點切向速度比軸向速度小1個數量級，29%的測點切向速度比軸向速度小2個數量級。水流切向速度不均勻系數的均值為0.65，而軸向速度不均勻系數的均值為0.13，這說明測試斷面內水流軸向速度比切向速度均勻。測試斷面內水流切向速度方向大致為順時針方向，原因是導流條安裝時，進水端與水流方向平行，然后沿水流方向順時針方向扭曲成一定角度的扭曲面。其中一些速度方向逆轉的測點無規則地出現在測試斷面內，原因是水流經過管道車支撐體結構時，支撐體結構對水流有一個擾動作用，使得車身環隙處的水流方向發生改變。

3 結論

通過對管道中雙車5種車間距后車進行縫隙螺旋流流場測定試驗，得出如下結論：

（1）管道雙車合理間距為50～70cm。

（2）車中斷面的軸向速度極差與管道雙車間距相關性較大，間距越大，極差越小，并趨于穩定，而軸向速度的上界值與間距無關。

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

參考文獻：

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