同型管道双车在不同流量条件下的缝隙流轴向流速特性研究

2018-08-17马成功鲁一凡李永业张雪兰

水力发电 2018年5期

马成功，吴剑，鲁一凡，李永业，张雪兰

(太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024)

0 引言

与传统运输方式相比[1]，筒装料管道水力输送技术在增加运输量的同时，还可以降低能耗、减少污染[2]。然而，筒装料管道水力输送技术从理论研究到工程应用需要经历漫长的过程，之前有学者分别对管道车的荷重、径长比、直径比以及导流条的角度、长度和在不同雷诺数条件下的水力特性和流速特性进行了研究[3- 6]，并主要集中于单车工况下的流速特性情况，而对双车的流速特性研究很少。因此，本文针对同型管道双车在不同流量条件下的缝隙流流速特性进行研究，以丰富筒装料管道水力输送理论，促进筒装料管道水力输送的工程运用[7- 8]。

1 试验装置及试验方案

1.1 试验装置

试验系统由运输管道、动力装置、调节装置和数据采集系统4个部分组成。其中运输管道为内径为100 mm的有机玻璃圆管，由水泵提供动力，通过阀门和电磁流量计控制流量大小，最后由多普勒激光测速仪(LDV)测量管道内水的流速。试验系统如图1所示。

图1 试验系统布置

1.2 试验方案

图3 测环和测点布置

2 试验结果与分析

2.1 不同流量下特征断面的缝隙流轴向流速分布特性

轴向流速即为沿着管道轴心方向的流速。以后车车身环隙第1断面和前车车身环隙第11断面为例分析环隙流轴向流速分布特性，环隙断面轴向速度分布如图4、5所示。

图4 不同流量下的1断面缝隙流轴向流速分布等值线(单位：m/s)

图5 不同流量下的11断面缝隙流轴向流速分布等值线(单位：m/s)

由图4和图5可知，随着流量的增加，各断面的缝隙流轴向流速均增大，水流由满管进入管道车与管壁之间的缝隙，过流面积急剧减小，流线急剧收缩，流线较紊乱。同时流量越大，同一断面的轴向流速梯度越大，流速分布越紊乱(该点速度的大小和方向随时间的变化而不断变化，当流量越大时，这种变化规律越不明显)。由于管壁与管道车壁存在摩擦阻力与粘滞阻力，靠近边界的流速很小，轴心处流速大；流量越大流速越大，流速相对紊乱。

2.2 不同断面上的同一测点的轴向速度变化

为了研究流速的沿程分布特征，以极轴0°半径为40 mm的点为例(其他点的规律大致相同)，得到了该点在不同流量下不同断面的流速大小，如图6所示。

图6 不同测试断面上同一测点的轴向速度变化趋势图

由图6可以看出，水流经过管道车测试断面的前部，流速增大；进入管道车测试段的中段，缝隙流流速趋于平稳，基本保持同一流速，速度变化浮动小；经过中段后，流速再次发生较大变化，后车测试段与前车流速变化情况基本相同。由Q=V×A得出，在水流经过前车测试段前时，由于过水断面的面积突然减小(满管变为管道车和管道内壁形成的缝隙)，流量不变，所以使得流速增大，且流速受管道车支脚的影响，流速较紊乱；在经过断面1、2(或断面11、12)后，水流经过再分布，流速趋于稳定，变化幅度小；到达断面4、5(或断面14、15)时，过流断面面积变大，在流量不变的情况下，使流速突然变小。并且分别在流量为30、40、50 m3/h的情况下，流速变化趋势基本相同。

2.3 同一测环不同极轴上的轴向速度变化

选取前车车中断面13作为研究对象，对该测试断面上的半径分别为47.5、45、43.75、42.5 mm和40 mm的5个测环在不同极轴角度时的缝隙流流速变化进行分析，速度分布如图7所示。

图7 不同测环半径轴向速度随极轴角度变化规律

从图7可以得出，轴向速度随着极轴角度的变化呈现波浪状变化，但变化幅度不大，基本趋于稳定。轴向流速关于180°呈左右对称，主要由于该结构左右对称，方向竖直，受力因此也大致对称，而其他两个支脚均与之成120°夹角。在180°出现极小点，主要是由于在180°位置有支撑体存在，对水流存在阻力作用，产生了绕流，受重力作用也比较明显。