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不同径高比动导叶旋流器的管流特性(2)
图3 旋流器投放装置Fig.3 Schematic diagram of deployment equipment
2 试验方案
影响旋流特性的因素很多,主要有:导叶径高比、导叶角度、导叶长度。本文主要研究不同导叶径高比下的旋流特性,具体的设计参数和运行工况见表1。每次试验重复3次,取平均值。
表1 旋流器的具体设计参数和运行工况Tab.1 Specific design parameters and operating conditionsof HydrocyclonesRunsQ/(L·s-1)ε=D/Lθ/(°)D×L/(mm×mm)Uc/(m·s-1)×501. 488
为了弄清测试断面的水力特性,在测试断面上采用极坐标的方式布置测点。设置7个测环,最外层的测环距管壁1 mm,与第二层测环间隔1 mm,其他测环间隔8 mm。沿半径方向每隔30°布置一个极轴,测环与极轴的交点即为测点,共84个测点。
3 试验结果与分析
3.1 不同导叶径高比时测试断面的压力分布情况
旋流器在管道中运行时,其测试断面的压力分布情况如图4所示。从图中可以看出:①当旋流器位于同一断面时,该测试断面的压力分布均表现为断面上部的压力大,下部的压力小。其原因主要是水流经过旋流器,导叶有一定的角度,强迫水流流线发生变化,使其形成涡管流,有别于一般管流,主要特征表现为除了轴向的流动外,还有周向和径向流动,从而也会产生有旋流动,进而使管内的压强场发生变化。同时,测试断面位于旋流器上游或下游2 m处的位置,螺旋流已充分发展,使其断面压力分布不再严格遵循对称分布。②从压力等值线图上也可以看出,随着旋流器上导叶径高比的增加,旋流器位于同一位置时,测试断面的压力也在增加。这主要是因为出现绕流情况,因旋流器为非流线型物体,圆柱表面上的边界层经受不起逆压的作用就脱离物体,而在物体后面形成尾涡区[16],由于物体尾部有旋涡发生以至使管中水流产生螺旋流。③图4(a)与图4(b)相比可以看出:旋流器位于测试断面下游时测试断面的压力大于旋流器位于测试断面上游时断面的压力,即旋流器对其后断面水流的影响远大于对于其前端面水流的影响。而且其后断面的压力梯度大于其前端面的压力梯度,其后断面形成更明显的旋流现象。
图4 测试断面的压力等值线图(单位:kPa)
3.2 不同导叶径高比测试断面速度分布情况
旋流器在平直管段中产生的螺旋流可看作由2种简单流动叠加形成。一种是由水泵产生外来压力的轴向Poiseuille流动,另一种是旋流器导叶强制导旋产生的周向Coutte流动。再加之水流的黏性拖曳周边的水流螺旋运动,最终形成螺旋流。
通常,螺旋流处于紊流状态。旋流器在管道中运动时,管道中的流速分布是三维的。本文分别从轴向、径向、周向三个方向对带有不同径高比导叶的旋流器位于测试断面下游时该测试断面的流场特性进行研究。
图5 旋流器位于测试断面下游时轴向速度分布图(单位:m/s)streamoftestingsection
3.2.1 不同导叶径高比测试断面轴向速度分布情况
图5为旋流器位于测试断面下游时,该测试断面的轴向速度等值线图,从图5中可以看出,①管中心处的流速大,靠近管壁处的流速基本较小,部分地方出现较大流速。这主要是旋流器的存在,使得水流通过时产生扰流现象。②管中心处的流速梯度小,管壁附近的流速梯度大。究其原因主要是因为导叶的影响,水流在推动旋流器向前运动的过程中,水流经过导叶时由于水的黏性作用,使流线比较聚拢,从而产生管壁附近流速梯度大的现象。③在该工况下,随着导叶径高比增加,其轴向速度表现为先增大后减小的趋势,当导叶的径高比ε=0.3时,测试断面的轴向流速最大。这主要是因为水流推动旋流器运动主要靠旋流器前后的压差力的作用,而对于不同径高比导叶该作用力的位置和大小不同从而导致其轴向速度不同。
在旋流器的作用下,平直管段测试断面沿Y轴的轴向速度分布如图6所示。不同导叶径高比下Y轴断面的轴向速度变化,均呈现类对数分布,与螺旋流轴向速度的理论分析和模拟结果相吻合[17]。在中心区域,即距管轴约小于2.5 cm的范围内,轴向流速较大,且相对比较均匀。在此范围以外受液体黏度影响,流速变化较快。同样,可以得出,当旋流器导叶径高比ε=0.3时,测试断面的轴向流速平均值最大。
图6 测试断面沿Y轴的轴向速度分布Fig.6 The distribution of axial velocity alongtheYaxis of the test section
3.2.2 不同导叶径高比周向速度分布情况
文章来源:《水力采煤与管道运输》 网址: http://www.slcmygdys.cn/qikandaodu/2021/0507/536.html