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导流条安放角度对管道车间断面螺旋流流速特性(5)
管道车间流场的变化会对管道车的运动特性产生影响,而加强对管道车间流场特性的研究有助于更好的了解管道车之间的相互作用[19-20]。因此,本文通过水力学及统计学相关理论与模型试验相结合的方法对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进行研究,以期为筒装料管道水力输送技术参数的优化提供一定理论依据。
1 试验系统与方案
1.1 试验装置与管道车结构
本试验系统主要由抽水及流量调节系统、试验管道系统、仪器量测系统3部分组成。其中抽水及流量调节系统由钢水箱、离心泵、电磁流量计组成;试验管道由内径为100 mm,壁厚为5 mm的有机玻璃圆管组成,有机玻璃圆管之间由法兰相连;流速测量仪器为粒子图像测速仪。试验系统如图1所示。
1.离心泵 2.闸阀 3.电磁流量计 4.计算机 5.矩形水套 6.粒子图像测速仪 7.钢水箱 pump valve flowmeter water jacket image velocimetry 7.Steel water tank图1 试验系统Fig.1 Test system
试验开始前先将管道车固定在测试管段以形成完整回路,通过标定板对相应的测试断面进行标定,之后利用坐标架对激光和相机进行调节,使得相机找到相应的测试断面。标定完成后在钢水箱中加入水和示踪粒子,通过离心泵将钢水箱中的水抽入管道中,利用闸阀对管道内的流量进行调节,并通过电磁流量计来观察管道内流量的大小,待管路中的水流稳定之后通过粒子图像测速仪对研究管段内的水流速度进行测试,然后根据研究管段上标定的坐标值得出相应测试断面位置对应的测点速度值,最终利用surfer软件绘制出相应测试断面的速度分布云图。
本研究的管道车结构主要由料筒、支脚、导流条3部分构成。其中:料筒为5 mm厚的有机玻璃空心圆柱,其长度L为150 mm,外径D为70 mm,厚度为5 mm;管道车前后两端各安装3个支脚,每两个支脚之间夹角为120°;导流条由厚度为3 mm,高度为10 mm的有机玻璃加工制作而成,等间隔粘结在料筒的外表面。安装导流条时,将其和支脚错开,并按120°等间隔角布置。管道车结构示意图如图2所示。导流条安装时进水端的切线与水流方向平行,出水端末端的切线与水流方向之间形成的锐角θ定义为导流条安放角,导流条安放角示意图如图3所示。
1.2 试验方案设计
1.2.1 试验工况
本文主要研究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,故以导流条安放角度为主要控制变量,以5°为间隔,选用5°、10°、15°、20°、25°五种导流条角度,导流条沿管道轴线的长度与管道车料筒的长度相同,导流条高度h=10 mm,导流条的个数为3。试验所选流量Q=40 m3/h。
图2 管道车结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the piped carriage
注:θ为导流条安放角,(°);D为管道车直径,mm;L为管道车车长,mm。Note:θis the setting angle of the guide bar, (°);Dis the diameter of the piped carriage, mm;Lis the length of the piped carriage, mm.图3 导流条安放角示意图Fig.3 Schematic diagram of the setting angle of the guide bar
1.2.2 测试断面及测点布置
在试验中,每次使用相同导流条安放角度的两个管道车进行测量,管道车之间相距150 mm,在两管道车之间设置3个测试断面,顺着水流方向依次为断面1#、2#、3#。其中2#测试断面位于1#和3#断面中点位置处。测试断面布置如图4a所示。每个断面的测点布置采用极坐标的布置方法,以管道轴心为圆心,每个测试断面上布有5个测环,12条测轴。测环以管道测试断面的圆心为圆心,半径分别为9、18、27、36、45 mm,测轴以管道测试断面的圆心为交点,相邻两条测轴之间夹角为30°。测环与测轴的交点即为测点,共61个测点。测点布置图如图4b。
图4 断面和测点布置示意图Fig.4 Schematic diagram of cross section and measuring point layout
2 结果与分析
2.1 管道车间螺旋流轴向流速分析
不同导流条安放角条件下管道车间断面的轴向流速分布如图5所示。图5可以看出:
1)在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。管道中水流流经管道后车进入车间断面时,由于管道车外壁安装导流条与支撑体,水流受导流条的引流作用与支撑体的阻碍作用,1#断面的轴向流速分布呈现靠近管壁处较大,其最大值能达到3 m/s,而在管轴中心处轴向流速值较小。随着水流流至2#断面,受管道后车导流条与支撑体的影响减少,水流逐渐开始发展,靠近管壁处流速较大的水流开始向管轴中心流动,2#断面管道壁面处的轴向流速值小于1#断面,而管中心处的轴向流速逐渐增大,低流速区域逐渐收缩,即图中中心蓝色区域面积逐渐减小。水流流过2#断面后,开始逐渐靠近管道前车支撑体,受管道前车支撑体的阻碍作用,3#断面水流轴向流速中心区域低速区开始向近壁处扩散,中心低速区在图中所占面积逐渐增加,而近壁处轴向速度较大的区域则呈120°对称分布,且3#断面中心区域的轴向流速值变化相对较小,轴向流速值大多集中在1~1.5 m/s之间。
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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