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不同径高比动导叶旋流器的管流特性(3)
导叶的存在是管道中水流产生周向流速的决定性因素,水流在推动旋流器向前运动的过程中,由于水流作用在导叶上的力矩使旋流器螺旋式向前运动,从而使水流在导叶的带动下强制性旋转。而导叶的径高比不同,使得水流作用在导叶上的力矩不同,从而使水流的旋转强度有所差异。
圆管螺旋流的周向速度可看作由导叶区的强制涡,近管壁处和圆管中心处的准自由涡组成。这两个区域以最大周向速度处r1、r2为界。从图7中可以看出,r1位于距管轴约2 cm的位置,r2位于距管轴约3 cm的位置。在r1
图7 测试断面沿Y轴的周向速度分布Fig.7 The distribution of circumferential velocity alongtheYaxis of the test section
图8 旋流器位于测试断面下游时周向速度分布图(单位:m/s)thedownstreamoftestingsection
3.2.3 不同导叶径高比径向速度分布情况
从图9中可以看出,①当旋流器位于测试断面的下游,该测试断面的径向流速整体表现为:在管轴心附近形成一系列以管轴心为圆点的速度同心环,且速度梯度较大。 ②随着导叶径高比的增加,径向流速在逐渐减小。这主要是由于径向流速是由两方面的原因引起的:一方面是由于同一断面上流体紊动作用的结果。它的存在,也说明了速度进行重新分布,流体质量仍然守恒;另一方面在有螺旋流存在时是主要原因,即在形成螺旋流时,管中心处的流体将因旋转产生的离心力的作用而向管壁处运动,同时旋转着向下游运动[9]。随着导叶径高比的变化,水流旋转的强度不同,从而导致其径向速度也随之发生变化。③当导叶径高比ε=0.3时,整个断面径向流速梯度最大,即径向流速变化最剧烈。
图9 旋流器位于测试断面下游时径向速度分布图(单位:m/s)nstreamoftestingsection
由于径向速度相比于轴向速度和周向速度,其速度值较小且对螺旋流的影响较小。故其断面的分布情况不再赘述。
3.3 涡量场特性研究
在流体力学中,涡量定义为流速矢量的旋度。由斯托克斯定理可知:涡量场和速度场相互联系,涡量场和速度场都是整个流场的重要组成部分。因此从涡动力学角度出发来阐述旋流器在平直管段中产生的螺旋流情况。
图10为旋流器位于测试断面下游时轴向涡量等值线图,从图10中可以看出:①在测试断面的Y轴附近涡量强度变化大。在管轴附近涡量值较大,且与水流方向相反。②当旋流器导叶径高比ε=0.3时,涡旋的分布较均匀,且相比于其他旋流器,涡量值较大,即涡旋强度较强烈。③由于导叶和支脚的影响,测试断面局部有小漩涡产生。
图10 旋流器位于测试断面下游时轴向涡量等值线图Fig.10 Contour diagram of axial vorticity when the hydraulic locatedin the downstream of testing section
4 结 语
通过对运动导叶不同径高比时的旋流特性研究,得出以下结论:
(1)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。
(2)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前端面影响。
(3)在本文所述工况下,测试断面下游水流的轴向速度随导叶径高比的增加表现为先增大后减小的趋势,不同导叶径高比下断面的轴向速度变化均呈现类对数分布,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。其周向速度随导叶径高比的增加有先减小后增大的趋势,而径向速度随导叶径高比的增加逐渐减小,即导叶径高比为0.3时,其轴向速度最大,径向流速变化最剧烈,周向速度较均匀。
(4)测试断面的Y轴附近有一系列涡核,且各相间涡核方向相反;当旋流器导叶径高比ε=0.3时,涡旋的分布较均匀,且强度较剧烈。
[1] QIAN Zhongdong, YANG Jiandong, HUAI Wenxin. Numerical simulation and analysis of pressure pulsation in francis hydraulic turbine with air admission[J]. Journal of Hydrodynamics, 2007,19(4):467-472.
文章来源:《水力采煤与管道运输》 网址: http://www.slcmygdys.cn/qikandaodu/2021/0507/536.html