管道双车在不同车间距下的后车流场特性研究

吴剑 乔乐 孙西欢 李永业

摘要：为进一步探讨筒装料管道水力输送过程中管道双车在不同车间距下缝隙螺旋流流场特性，采用模型试验、理论分析相结合的方法，对双车间距分别为10、30、50、70、90cm工况条件下管道双车中的后车缝隙螺旋流流场特性进行了研究。试验采用两个相同型号的管道车模型在水平有机玻璃圆管内完成，流量恒定控制为30m3/h。研究结果表明：管道双车合理间距为50～70cm；车中断面轴向速度极差与管道双车间距相关性较大，车间距越大，极差越小，并逐渐趋于稳定，而轴向速度上界与间距无关；切向速度比轴向速度小，切向速度的不均匀系数比轴向速度的大。

关键词：管道双车；车间距；缝隙螺旋流；流场特性；管道水力输送

中图分类号：TV134.2 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.025

国内外许多学者在缝隙流和螺旋流的流动规律、工程应用等方面进行了大量研究。在缝隙流方面：李永业等[1]分析了管道车从静止到平稳运移时同心环状缝隙流的速度变化规律，并建立了数学模型；VadimTravniko等[2]研究了球体缝隙内缝隙流场线性稳定理论，得到了考虑非对称扰动的缝隙流不稳定方程；张雪兰等[3-5]对管道车不运动时环隙流水力特性进行了研究，得出了环隙水流轴向流速、切向流速和压强的分布规律。在螺旋流方面Orhan Aydin等[6]提出了一种新型圆管螺旋流起旋器，并研究了不同雷诺数下，起旋器长度和管道长径比对螺旋流衰减变化规律的影响；饶永超等[7]利用雷诺应力湍流模型，模拟研究了水平圆管中短螺旋纽带起旋的螺旋流流动特征；Khalid M.Saqr等[8]通过对不可压缩非恒温管道螺旋流流动特性进行研究，分析了人口螺旋流强度对圆管内螺旋流流速分布规律及衰减变化的影响；S.Fokeer等[9]研究了不同雷诺数条件下，流体在三叶螺纹圆管中的轴向流速与切向流速分布规律，分析了螺旋流在流体输送中的减阻效应及衰减率。

同心环状缝隙螺旋是管道车在输送物料的过程中所形成的一种新的缝隙螺旋流现象。管道双车中的后车流场影响因素众多，非常复杂，缝隙螺旋流的有关特性直接影响管道车运行的安全稳定性，因此对后车同心环状缝隙螺旋流的流场特征进行研究具有重要意义。

1 试验设计

1.1 管道车

本次试验的管道双车型号相同，单个管道车的总长度为210mm，直径为70mm，其中料筒长度为150mm，在其两端面间隔120°呈辐射状分别安装了3个支撑体，在每个支撑与管内壁的接触面上都安装一个万向滚珠，管道车模型见图1。导流条为长150mm、高10mm、厚3mm的有机玻璃条加工制作而成的呈扭曲面的叶片，安放角按照2°/cm的速度增长，出水端总安放角为30°，导流条两端打磨成流线型，每两个导流条之间间隔120°，并且要错开支撑体。

1.2 试验系统

本试验系统主要由动力与流量调节系统、试验管道系统和多普勒激光测速系统三部分组成。试验管路由多节内径100mm的透明有机玻璃圆管组成，整个试验管道保持水平。试验时，流量恒定控制为30m3/h，水由水泵从储水箱抽出，然后流入试验管道，通过调节闸阀开度调节流量，最后流至储水箱形成一个闭合的循环回路。试验系统整体布置如图2所示。

1.3 测点和断面布置

每个测试断面分为12条极轴5个测环，测环半径R1～R5分别为47.0、44.0、42.5、41.0、38.0mm。极轴与测环的交点即测点，一个测试断面内共布置60个测点（见图3），测试断面布设在管道车车身正中间位置。

2 试验结果分析

2.1 轴向速度分布

为了便于比较分析，绘制了不同间距下后车测试断面水流的轴向速度（v）三维线框图，如图4所示（S为车间距，x、y为起点距）。

不同车间距下管道双车中后车轴向速度特性相关参数计算结果见表1。极差公式为

R=Xmax-Xmin（1）均值公式为标准差公式为不均匀系数公式为式中：Xmax、Xmin、Xi分别为测点轴向速度的最大值、最小值以及第i个测点的轴向速度；N为测试断面内的测点数量；R为极差；X为平均值；σ为标准差；η为不均匀系数。

随着车间距的增大，测试断面轴向速度变化范围逐渐减小，极差由1.62m/s逐渐减小到0.99m/s，然后其趋于稳定，保持在1m/s左右，而轴向速度的上界值与车间距无关，始终稳定在2.7m/s左右。说明测试断面的轴向速度极差与管道双车间距相关性较大，而轴向速度的上界值与间距无关。这表明随着管道车间距的增大，测试断面水流轴向速度逐渐变得稳定。当车间距达到70cm时，轴向速度已经比较稳定，管道双车合理间距为50～70cm。

2.2 切向速度分布

为了更加深入地分析缝隙螺旋流周向速度分布特征，运用SPSS统计分析软件对测试断面内各测点切向速度进行了统计分析，如图5所示。

随着管道双车间距变化，测试断面内水流切向速度整体差异并不明显，速度均值分布在0.18～0.22m/s之间，断面切向速度集中分布区间为0～0.4m/s。整体上来看，71%的测点切向速度比轴向速度小1个数量级，29%的测点切向速度比轴向速度小2个数量级。水流切向速度不均匀系数的均值为0.65，而轴向速度不均匀系数的均值为0.13，这说明测试断面内水流轴向速度比切向速度均匀。测试断面内水流切向速度方向大致为顺时针方向，原因是导流条安装时，进水端与水流方向平行，然后沿水流方向順时针方向扭曲成一定角度的扭曲面。其中一些速度方向逆转的测点无规则地出现在测试断面内，原因是水流经过管道车支撑体结构时，支撑体结构对水流有一个扰动作用，使得车身环隙处的水流方向发生改变。

3 结论

通过对管道中双车5种车间距后车进行缝隙螺旋流流场测定试验，得出如下结论：

（1）管道雙车合理间距为50～70cm。

（2）车中断面的轴向速度极差与管道双车间距相关性较大，间距越大，极差越小，并趋于稳定，而轴向速度的上界值与间距无关。

（3）切向速度比轴向速度小得多，切向速度的不均匀系数比轴向速度的大，切向速度比轴向速度紊乱。

参考文献：

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[3]张雪兰，孙西欢，李永业.筒装料管道水力输送环隙流场特性试验研究[J].重庆交通大学学报，2014，33（2）：75-78.

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