期刊封面
导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性(4)
2)车间各断面周向流速在半径为27 mm的测环上发展较为充分,周向流速值偏大。在圆心处及近管壁处周向流速值偏小。近壁处水流受到管壁的黏滞作用,使得周向流速发展受到抑制。
3)各个断面圆心处的周向流速以负方向流速居主导位置,流速数值偏小,基本在0附近波动。同轴向流速相比,周向流速值较小,但是周向流速值要大于径向流速值,即导流条对周向流速的影响程度要大于径向流速。
4)随着导流条安放角的增加,周向流速值正值区域不断增大,即周向流速沿逆时针方向的区域不断增大,同时随着导流条安放角的不断增大,周向流速的强度也在逐渐增加,周向流速值最大可以达到1.5 m/s,说明导流条安放角的增大促进了车间断面周向流速的发展。
为分析导流条安放角度的变化对于管道车间断面螺旋流的周向流速的影响,与径向流速相似,同样设置4个区间:(?1,?0.5)、[?0.5,0)、[0,0.5)、[0.5,1)。统计各断面中所有测点的周向流速在不同流速区间中所占的百分比。图10为不同导流条安放角条件下管道车间断面的周向流速在流速区间分布的百分比堆积柱状图。由图可以看出:
1)不同导流条安放角条件下,管道车间断面周向流速百分比柱状堆积图呈阶梯状分布。对于同一断面而言,随着导流条安放角的增加,在(?1,0.5) 这一区间内的周向流速占比逐渐减小,而在[0.5,1) 这一区间内的周向流速占比逐渐增加,即导流条安放角的增加与周向流速的增加呈正比关系,导流条安放角越大,周向流速在高流速区间的分布所占比例越大,但随导流条安放角的增加沿圆周切线顺时针方向周向流速占比逐渐减小。对比管道车间断面的轴向和径向流速值变化可以看出,导流条安放角的变化对周向速度影响最大。
2)同轴向和径向流速分布变化相类似,当导流条安放角一定时,1#断面处的周向流速值变化波动最大,而3#断面的周向流速值变化波动最小。这主要是由于1#断面处在尾涡区附近,使得流速变化比较剧烈,而3#断面远离尾涡区,水流流态相对稳定,相应的周向流速分布也趋于稳定。
综合全文分析,实际应用时,合理的导流条安放角范围应选择在10°~20°之间。
图9 不同导流条安放角条件下管道车间断面周向流速等值线图Fig.9 Contour map of circumferential velocity in cross-sections between piped carriages under different setting angles for the guide bar
图10 管道车间断面周向流速百分比堆积柱状图Fig.10 Stacked histogram of circumferential velocity percentage in cross-sections between piped carriages
3 结 论
1)不同导流条安放角条件下,管道车间断面的轴向流速分布趋势基本相同,均呈现先由管壁向内扩散,再由管轴线向外扩散的分布特征。
2)随着导流条安放角度的增加,管道车间断面上的径向流速逐渐呈现120°旋转对称分布,在60°、180°与300°极轴方向径向流速为正值且数值较大;在0°、120°与240°极轴方向径向流速值偏小。管道车间各个断面的径向流速值均在区间(?1, 1)m/s之间。
3)随着导流条安放角度的增加,管道车间断面的周向流速也呈现120°旋转对称的分布趋势,在0°、120°与240°极轴方向上周向流速值较大。不同导流条安放角条件下,周向流速百分比柱状堆积图呈阶梯状分布。随着导流条安放角的增加,周向流速逐渐向正方向增加,周向流速的强度也在逐渐增加,增幅将近1 m/s左右。
本文研究了不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性,分析了导流条安放角对管道车间断面的螺旋流流速特性影响,适当的增大导流条安放角可以获得较大的周向流速,同时管道内的水流流速分布也比较均匀。实际应用时,合理的导流条安放角范围应选择在10°~20°之间。
0 引 言
目前,运输业的能源损耗、环境污染等问题已成为社会关注的重要问题,农产品运输所依赖的传统运输方式已不能满足人们日益增长的运输需求,且现阶段常用的输送方式存在耗能高、污染大[1-3]等问题,筒装料管道水力输送技术的出现为农产品的运输提供了一个新的方向。筒装料管道水力输送技术属于囊体管道水力输送的范畴[4-6],该技术主要是将农产品盛装并密封在圆柱状的管道车内部,并借助流体的推力实现管道车在有压管道内进行长距离运输,能够实现运输物品与输送介质分离,避免混掺[7]。
由于管道车车身加装了导流条,从而使管道车在管道内运移时有螺旋流产生,而螺旋流的产生又会反过来影响管道车的运动状态,因此,想要更好的对管道车运动特性进行研究,就要了解管道螺旋流的分布变化特性。Eills[8]通过模型试验对单个管道车运动速度进行研究发现,管道车运动速度随着管道车直径和水流雷诺数的增大而增大。Kroonenberg[9]构建了管道车在平直管道内做同心运动时的数学模型,推导出了管道车运动速度和环状缝隙流流速公式,并通过模型试验验证了公式的准确性。Ma等[10]研究了雷诺数为200时,管道车与管道间不同缝隙比下的缝隙流流动特性,分析了缝隙比从0.03到0.3间变化时缝隙流的流速、边界层流动的演变和尾迹流动的变化规律。Mohamed等[11]采用3种不同的湍流模型对长直圆柱型管道车与管道所形成的同心环状缝隙流场特性进行了研究,并对3种模型的计算精度进行了对比。Taimoor等[12-13]采用数值模拟的方法对单个管道车在直管、弯管以及垂直管段运移时的水力学特性进行了研究,并依据最小成本原则对输送系统进行了优化。郑伟[14]分别对不同导叶长度下静止单个管道车所形成的环状缝隙流特性进行了研究,探讨了环状缝隙内的水流速度、压强与导流条长度之间的相互关系。Zhang等[15]对不同导流条安放角下的单个管道车运动特性进行了研究,结果发现:管道车运动时的旋转角速度、运移速度均与导流条安放角呈正相关关系。Jia等[16]对管道车壁面的受力特性进行了分析,发现管道车壁面切应力随着雷诺数的增大而增大。综上可以看出,目前的研究多集中于静止或运动状态下的单个管道车的流场特性和运动特性,而对两个管道车同时运动的水力特性研究却少有涉及,而随着研究的不断深入和完善以及运输量的不断提高,两个或多个管道车必将成为今后研究的重点[17-18]。
文章来源:《水力采煤与管道运输》 网址: http://www.slcmygdys.cn/qikandaodu/2021/0613/572.html
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