筒裝料管道水力輸送環(huán)隙流場特性試驗(yàn)研究

張雪蘭，孫西歡，李永業(yè)

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

管道水力輸送是一種區(qū)別于航海船舶輸送的特殊水運(yùn)物流方式，以其安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢成為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。其中，大尺寸物塊管道水力運(yùn)輸作為不同于漿體管道水力輸送的新型的管道輸送方式，是一種特殊的固液兩相運(yùn)動方式。常見的有囊體管道水力輸送以及筒裝料管道水力輸送等。

囊體管道水力輸送研究表明流量、囊體形狀以及輸送流體濃度是影響輸送效率的重要因素[1-2]。筒裝料管道水力輸送管道車模型是對囊體管道輸送的改進(jìn)和創(chuàng)新[3]，具有輸送物料多樣性等明顯優(yōu)勢。大量理論研究以及試驗(yàn)研究表明管道車運(yùn)行過程中，車型、荷載、輸送流量等運(yùn)行條件的改變引起管道車運(yùn)動特性的變化，結(jié)果表明車體直徑以及車長的增加，荷載的減小均會引起車體運(yùn)行速度的提高[4-5]。輸送流量與管道車運(yùn)移速度之間存在一次線性關(guān)系，流量增大，車速相應(yīng)提高，并且，輸送流量相對于其他影響因素而言，對管道車速度影響最為明顯；同時流量的增大帶來管道沿程壓力降的增大，增加了輸送能耗[6]。管道車運(yùn)行過程中，車體周圍流場包括車前、車后以及車身流場，運(yùn)行條件的不同使得各部分流場分布存在差異性，車后流場軸向速度研究表明隨輸送流量的增加，同一管道橫斷面速度平均值增大，且分布梯度較大[6]，而對車前流場以及車身周圍環(huán)隙流場的研究相對較少。筆者將就不同水流流量控制條件下，管道車在運(yùn)移過程中車身周圍環(huán)隙流場水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

筒裝料管道水力輸送是將裝有物料的柱狀管道車置于運(yùn)動水流圓形管道內(nèi)，借助水流的運(yùn)動推動管道車運(yùn)動，從而達(dá)到物料空間輸送的過程。管道車車體前后兩端分別布置了間隔120°的輻射狀支腳，起到了支撐車體的作用，并形成了以管道橫斷面中心和車體斷面中心為軸的同心環(huán)狀縫隙流。管道車運(yùn)動過程中，管道車的移動使得環(huán)隙流成為動邊界水流問題[7]。不同水流流量條件下縫隙流流場壓力和速度會呈現(xiàn)不同的分布，對管道車產(chǎn)生不同的作用。

筆者以車長100 mm，直徑60 mm(記為型號100×60)的管道車在30，40，50，60，70 m3/h等5個流量條件下運(yùn)移，著力對不同流量條件下平直管段環(huán)隙流場水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究成果為管道車合理運(yùn)行條件的設(shè)置以及運(yùn)移速率的提高提供參數(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1)管道車。管道車模型包括圓柱狀車體和端面支腳兩部分，車體由長 100 mm、直徑60 mm的有機(jī)玻璃管制成，內(nèi)部空腔成為料倉完成不同物料的儲運(yùn)；端面支腳為呈間角120°輻射狀分布的3個直徑10 mm圓柱構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對車體的支撐作用，使得管道車為同心運(yùn)動，環(huán)隙流為同心環(huán)縫隙流，管道車模型如圖1。

圖1 管道車模型示意Fig.1 The pipeline carriage model diagram

2)管道系統(tǒng)。試驗(yàn)管道系統(tǒng)包括動力裝置、入車裝置、接車裝置以及輸送管路。動力裝置將水從水源水庫泵入輸送管路；入車裝置為一沿水流方向斜置的制動閥，能夠?qū)崿F(xiàn)按需開啟，待管道車送入管路后完成密封，并盡可能的減小對水流的影響；接車裝置為一內(nèi)置緩沖海綿、底板帶排水孔的水槽，滿足車水分離的要求，并能完成水回流至水源水庫；管路系統(tǒng)由內(nèi)徑100 mm的不銹鋼管和有機(jī)玻璃管間隔組成，管道系統(tǒng)模型見圖2。

圖2 試驗(yàn)管道系統(tǒng)示意Fig.2 The experimental pipeline system diagram

3)測試儀器。試驗(yàn)采用七孔測針完成對環(huán)隙壓力的測試，并經(jīng)儀器配套計(jì)算公式運(yùn)算得到流場三維速度值，儀器測量具有較好的可靠性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用車長100 mm，直徑60 mm的管道車進(jìn)行試驗(yàn)，管道車荷載為750 g，試驗(yàn)水流流量為30，40，50，60，70 m3/h。沿車身長度方向布置3個測試斷面，分別位于圓柱狀車體兩端和車身正中位置，沿管道水流方向分別命名為車后、車中以及車前斷面，各測試斷面測點(diǎn)布置相同。同一斷面內(nèi)沿半徑為34，38，42，46 mm四測環(huán)布置，以測試斷面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，測點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1 測點(diǎn)坐標(biāo)

Table 1 Measuring point coordinates

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同流量條件下車中斷面環(huán)隙流場壓力變化

直徑60 mm的管道車運(yùn)行過程中產(chǎn)生環(huán)隙寬度為20 mm。在環(huán)隙斷面測點(diǎn)中選取8個測點(diǎn)繪制其壓力值隨流量變化的曲線，如圖3。并以此為例來說明環(huán)隙斷面壓力隨流量的變化關(guān)系。由圖3可以看出，隨著流量的增大，環(huán)隙斷面內(nèi)壓力值呈現(xiàn)總體增大的趨勢，這是由于水流流量作為管道車運(yùn)動的主要動力，其增大必然帶來壓力的整體上升。

圖3 壓力值隨流量變化曲線Fig.3 Curves of pressure value changing with the flow change

3.2 不同流量條件下車中斷面環(huán)隙流場速度變化

3.2.1 軸向速度分布

軸向速度為沿管道與管道車同心軸方向的速度，速度方向垂直于環(huán)隙橫斷面。圖4為環(huán)隙斷面上，各測點(diǎn)在不同測試水流流量下軸向速度分布。

由圖4可以看出，隨著流量的增大，斷面軸向速度分布呈現(xiàn)總體增大的趨勢，但由于管道車運(yùn)動過程中，車體周圍水流為紊流狀態(tài)，導(dǎo)致環(huán)隙內(nèi)各測點(diǎn)軸向速度并非隨著流量的增大呈現(xiàn)一致增長的趨勢。此外，管道車車端支腳的存在會產(chǎn)生繞流，由于流場再分布時間較短，車體測試斷面環(huán)隙軸向速度場并非均勻。車體速度的瞬時變動以及水流的紊動，致使出現(xiàn)環(huán)隙水流軸向速度隨流量增減波動。

圖4 環(huán)隙斷面軸向速度分布Fig.4 Axial velocity distribution of the annulus section

3.2.2 周向速度分布

定義周向流速為沿環(huán)隙橫斷面內(nèi)圓周速度的分

布。環(huán)隙斷面周向速度分布如圖5。

圖5 環(huán)隙斷面周向速度分布等值線(單位：m/s)Fig.5 Circumferential velocity distribution contour map of the annulus section

由圖5可以看出，各流量條件下，環(huán)隙斷面周向速度分布均呈現(xiàn)較明顯的不均勻性，這是由于車端輻射狀支腳的存在以及車體端面過水面積的改變，使水流經(jīng)過時產(chǎn)生繞流，之后水流迅速進(jìn)入環(huán)隙空間，水流流線急劇改變，劇烈的紊動使得車體環(huán)隙空間內(nèi)周向速度分布紊亂。隨著流量的增大環(huán)隙車身斷面周向速度呈現(xiàn)總體增大的趨勢。同時，等值線分布漸密，速度梯度分布漸大。原因在于，環(huán)隙面積不變，流量的增大引起周向速度的增大。

3.3軸向速度沿車體變化

軸向速度與管道軸心方向相同，是影響管道車長距離運(yùn)移的主要因素，軸向速度在環(huán)隙橫斷面內(nèi)速度差引起的剪切力是管道車運(yùn)移的動力之一，因此針對軸向速度沿車體的分布情況進(jìn)行研究是必要的。圖6為以Q=60 m3/h時運(yùn)行情況為例對管道車沿車體軸向速度斷面分布情況進(jìn)行分析。

圖6 環(huán)隙寬度為20 mm時各測試斷面軸向速度分布(單位：m/s)Fig.6 The axial velocity distribution in each measuring section of the annulus width 20 mm

由圖6可以看出，車前以及車后測試斷面軸向速度分布較為紊亂，這是由于車端支腳對兩端面流場的擾動，兩測試斷面分別位于輻射狀分布圓柱體繞流的前部和后部，繞流作用使得軸向速度分布較為紊亂。水流到達(dá)車中測試斷面時，經(jīng)過一定的再分布，斷面速度分布基本呈現(xiàn)繞車體層狀分布，較為均勻，且存在內(nèi)大外小的現(xiàn)象，這是由于動邊界管道車壁帶動作用使其周圍水流速度較大，而靜止管道內(nèi)壁附近的水流由于粘滯作用的存在速度較小。

4 結(jié) 論

通過對型號100×60的管道車在流量條件30～70 m3/h進(jìn)行環(huán)隙流場壓力及速度測定試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)管道車運(yùn)行過程中，受車體支腳及端面影響車身周圍環(huán)隙水流為紊流狀態(tài)。

2)隨著流量的增加，環(huán)隙斷面壓力值呈現(xiàn)總體增大趨勢。

3)運(yùn)動過程中，環(huán)隙流相對管道車軸向速度在管道車壁附近值較大，管道壁附近值較?。惠S向速度隨流量的增大呈現(xiàn)增大趨勢，同時斷面分布均勻程度隨之提高。此外，同一流量條件下，車前、車中以及車后三測試斷面中，車中斷面軸向速度分布均勻性較好。

4)各流量條件下，由于紊動環(huán)隙流斷面周向速度分布不均勻；隨流量增大，周向速度及速度梯度呈現(xiàn)總體增大的趨勢。

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