管道双车在不同车距下的环状缝隙螺旋流速度特征研究

作     者：吴剑 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙西欢

授予年度：2018年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：管道双车 车间距 环隙水流 螺旋流 速度特征 脉动强度 

摘      要：筒装料管道水力输送技术是在现代绿色物流产业发展过程中出现的一种新型物料输运方式,其具有环境污染少、能耗低、安全性能好等方面的优势,该输运方式的提出在一定程度上克服了传统运输业中能源消耗高、污染严重等弊端。通过理论分析与试验研究,对管道双车在不同车间距下的环状缝隙螺旋流速度特征展开了研究,主要结论如下:（1）不同车间距下,前车环隙区域车中测试断面轴向速度等值线图呈现相同的规律,每个测试断面轴向速度都存在三个呈120°分布的速度明显减小的涡形区域,平均值、极差、标准差、不均匀系数基本保持不变,车间距对管道前车环隙水流轴向速度的影响较小。（2）相同车间距下,前车环隙区域轴向速度梯度沿程逐渐下降,轴向速度分布沿程逐渐平坦,且存在三个明显的速度低速区,测试断面水流轴向速度极差、标准差、不均匀系数均有大幅下降。从局部特征来看:相同极轴上测点轴向速度基本持平,相同测环上轴向速度波动幅度沿程逐渐减小。（3）相同车间距下,前车环隙区域周向速度等值线沿程呈现“密集—稀疏—密集的变化规律,周向速度梯度先减小后增加,周向速度比轴向速度小1个数量级。周向速度沿程逐渐增大,增幅达80%。同一测试断面,周向速度为逆时针方向的测点数比重沿程逐渐增加,从68%增长到了92%。周向速度沿程分布比较平稳,但周向速度分布的区间宽度沿程有所增大。从局部特征来看,相同极轴上周向流速分布比较平稳,相同测环上周向速度分布比较紊乱。（4）相同车间距下,前车环隙径向速度比轴向速度小2个数量级,5/6的径向速度为背离圆心方向,径向速度呈现沿程增大的变化规律。标准差和不均匀系数沿程先减小后增大,在3#测试断面取得最小值。从局部特征来看,相同极轴上,径向速度分布区间宽度逐渐增大,同一测环上的径向速度波动起伏沿程逐渐增大。（5）随着车间距增大,后车环隙区域轴向速度基本不变,维持在2.3m/s左右。轴向速度等值线图中涡形区域的数量逐渐减小。当双车间距为10cm时,轴向速度分布最为凌乱,在轴向速度等值线图中存在六处涡形区域;当车间距为70cm、90cm时,大致呈现同心环状分布,靠近管道内壁处的轴向速度要大于靠近管道车外壁处的轴向速度。随着车间距的增加,测试断面内轴向速度极差、标准差、不均匀系数都表现为先增加后减小然后趋于稳定。从局部特征来看,随着车间距的增加,各个极轴上的轴向速度差值逐渐减小。同一测环上,轴向速度呈现波浪式的分布,存有三个波峰和三个波谷,波峰波谷间隔60°交错出现。（6）管道后车环隙区域内,水流周向速度要比轴向速度小1个数量级。随着车间距的增加,周向速度的等值线逐渐变得稀疏,并且曲率有所减小。随着车间距的增加,同一测试断面内,周向速度为逆时针方向的测点数比重由75%增加到90%,周向速度大小也逐渐增大。当车间距为90cm时,周向等值线开始呈现同心圆分布的趋势。从局部特征来看,周向速度沿极轴方向波动幅度不大,速度值集中在0m/s.2m/s区间。同一测环上的周向速度基本上都是呈现波峰波谷间隔60°交替出现的变化规律。（7）管道后车环隙区域内,水流径向速度要比轴向速度小2个数量级。随着车间距的增加,水流径向速度的平均值、标准差、不均匀系数的波动幅度均有所减小。径向速度为指向圆心方向的比重呈现先减小后增大的变化规律。无论何种车间距下,径向速度沿极轴方向波动幅度都不大,且比周向速度波动幅度要小。从局部特征来看,靠近管道车外壁面处的径向速度较小,靠近管道内壁面处的径向速度较大;随着双车间距的增加,测试断面内各个测环之间水流径向速度的差值有减小的趋势。（8）无论何种车间距下,前车环隙区域内轴向速度脉动强度要比垂向速度与横向速度脉动强度大1个数量级,垂向和横向脉动强度在局部位置有突增。随着车间距的增加,后车环隙区域内,轴向速度脉动强度平均值呈现逐渐减小的变化规律,垂向、横向脉动强度大小基本保持不变,维持在0.02m/s左右。本文的研究成果不仅充实和完善了环状缝隙螺旋流理论,而且对筒装料管道车水力输送技术的工业化推广应用有一定的参考价值。