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水平弯管内不同直径比管道车起动时的水力特性研究

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水平弯管内不同直径比管道车起动时的水力特性研究

作者：庞雅琦太原理工大学

学位级别：硕士

现如今,交通运输已成为人们日常生活中不可缺少的一部分,而随着运输需求的增加,交通污染、交通安全及能源消耗等问题逐渐成为制约城市可持续发展的因素,筒装料管道水力输送作为一种节能、环保的管道运输方式,近年来被很多研究者所关注... 详细信息

现如今,交通运输已成为人们日常生活中不可缺少的一部分,而随着运输需求的增加,交通污染、交通安全及能源消耗等问题逐渐成为制约城市可持续发展的因素,筒装料管道水力输送作为一种节能、环保的管道运输方式,近年来被很多研究者所关注。该输送方式以管道车盛放输送物料,解决了当前运输载体与被运输物体难以分离这一管道运输中常见的问题,极大地便利了物品的运输,具有很高的发展前景。在筒装料管道水力输送中,平弯管段是运输过程不可缺少的一部分,也是运输途中运动情况较为复杂的一部分。本文结合国家自然科学基金“管道列车水力输送能耗研究(51179116)”和山西省研究生创新实践项目“管道车在弯管内起动时的水力特性研究(2021Y240)”,采用理论分析、物理试验与数值模拟相结合的研究方法,以直径比为主要变量,研究了管道车在水平弯管内起动时的水力特性,得到如下主要结论:(1)不同直径比管道车在弯管内同一位置处起动时,各车车前断面轴向速度分布均呈现由管中心向管壁逐渐减小的分布趋势,但是随着直径比的增大,管中心高速区的轴向速度数值逐渐减小,管道车前支脚对轴向速度的影响也逐渐减小。径向速度沿程均呈现先恒定为0再逐渐增加的变化规律。但随着直径比的增加,径向速度的数值是逐渐减小的。对于管道车前支脚所在断面而言,随着直径比的增加,各支脚后侧区域内径向速度大于0.14m/s的区域面积逐渐减小而径向速度为负值的区域面积逐渐增加。周向速度分布可以大致分为四个区域:上层靠近管壁部分、上层管中心部分、下层管中心部分和下层靠近管壁部分,这四个区域周向速度呈负、正、负、正间隔分布,说明在圆管中心部分水流是由弯管内侧向弯管外侧流动;而在靠近管壁部分,水流则是由弯管外侧向弯管内侧流动。(2)当管道车在弯管内不同位置处起动时,对于车前断面而言,轴向速度分布规律有所不同,当管道车位于θ=22.5°位置时,断面流速沿管道半径方向呈现由管中心向管壁方向逐渐减小的分布规律;而当管道车位于θ=67.5°、θ=112.5°和θ=157.5°位置时,断面轴向速度呈现由弯管内侧向弯管外侧逐渐增大的分布趋势。径向速度在弯管外侧为正,而在弯管内侧为负,所以从整个断面分析,水流整体呈现由弯管内侧向弯管外侧的流动(定义由管道中心指向管壁方向为径向速度正方向)。径向速度的最大值几乎相同,约为0.4m/s,而且其最大值出现的位置也相同。对于管道车前支脚断面而言,径向流速沿管径方向均呈现由管中心向管壁先增大后减小的变化规律,在距管中心约25—45mm处(管道车支脚所在位置)径向速度达到该断面的最大值。(3)对于环隙断面而言,轴向速度分布受管道车起动位置的影响较小,各断面最大轴向流速沿程逐渐减小,水流逐渐趋于平稳。在环隙中游部分,随着直径比的增加,环隙内侧周向速度逐渐趋于稳定,而环隙外侧区域周向流速的变化逐渐加剧。在管道车前、后支脚所处的断面内,支脚前侧和支脚后侧区域周向速度方向相反,水流呈现出沿支撑体绕行的流动状态。(4)就直径比对车后断面三维速度分布规律的影响而言,随着直径比的增加,车后各断面内,轴向速度为负值的区域面积逐渐增大。在距后支脚距离为0和27mm的断面内,由于受到支脚的阻碍作用和断面面积突变的影响,水流波动较大,随着直径比的增大,径向速度的波动范围逐渐减小。(5)当管道车在弯管内不同位置处起动时,管道车对车后流场轴向速度的影响范围是不同的,其影响范围由大到小依次为:管道车位于θ=112.5°位置时、位于θ=22.5°位置时、位于θ=157.5°位置时,位于θ=67.5°位置时。车后五个断面中,距管道车后支脚距离约为0和27mm的两个断面轴向速度分布受管道车形状和支脚的影响较大,与起动位置关系不大;而距管道车后支脚距离约为55、85和113mm的三个断面轴向速度分布受管道车起动位置的影响较大。管道车后支脚所在断面径向流速绝对值均较小,说明此处水流流态稳定,随着距管道车后支脚距离的增加,径向流速的数值开始逐渐增大,在距后支脚约55mm—85mm断面处径向速度达到最大值,水流沿半径方向的流动在这两个断面处最为明显。(6)当管道车位于弯管内不同位置处时,管道车起动能耗随直径比的变化规律是相同的,起动能耗随直径比的增大均呈现先减小后增大的变化规律。其中,直径比为0.75的管道车能耗最小,而直径比为0.5的管道车起动能耗最大。本文的研究成果补充和完善了筒装料管道水力输送的理论研究,为该技术的实际应用提供了理论支撑。

关键词：圆柱绕流水平弯管直径比管道车水力特性

均匀流作用下并列阶梯圆柱型结构物受力及尾流特性研究

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水道港口 2024年第2期45卷 230-236页

作者：及雯斐华北水利水电大学水利学院郑州450046

阶梯圆柱是工程中常见的结构外形,其在流场中的受力特征和尾流模式受到直径比的显著影响,机理十分复杂,影响了工程设计受力取值的准确性。针对均匀来流条件下并列阶梯圆柱绕流进行了三维直接数值模拟,选取特定直径比范围(D/d=1.33~2),... 详细信息

阶梯圆柱是工程中常见的结构外形,其在流场中的受力特征和尾流模式受到直径比的显著影响,机理十分复杂,影响了工程设计受力取值的准确性。针对均匀来流条件下并列阶梯圆柱绕流进行了三维直接数值模拟,选取特定直径比范围(D/d=1.33~2),分析了阶梯圆柱的升阻力特性、尾流模式和旋涡结构等,发现了并列阶梯圆柱绕流流动模式的调制现象,并阐述了其产生机理。研究结果表明,并列阶梯圆柱的尾流模式除受并列圆柱尾流的临近干涉影响外,还受到构成阶梯圆柱的大、小圆柱尾涡相互作用的影响。在小直径比(D/d=1.33)情况下,尾流呈现稳定偏斜(DF)和交替偏斜(FF)的混合模式,窄尾流阶梯圆柱的阻力均值和泄涡频率均较高,宽尾流阶梯圆柱则相反。而在中、大直径比(D/d=1.67和2)情况下,尾流呈现FF模式,两个阶梯圆柱交替出现较高的阻力和泄涡频率,宽、窄尾流呈现不同的旋涡错位连接模式,窄尾流以半环连接和直连为主,而宽尾流则以涡管多连为主。

关键词：阶梯圆柱并列布置受力特性尾流模式直径比

卷筒筒绳直径比、卷筒钢丝绳偏角与倍率间的设计关系

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起重运输机械 2022年第1期 75-77页

作者：程前进广东永通起重机械股份有限公司

GB/T 3811-2008《起重机设计规范》(以下简称《规范》)中规定了各种工作级别时卷筒的计算直径D与钢丝绳直径d之间的比值(即筒绳直径比)h=D/d需不小于规定值h1,并规定了钢丝绳绕进和绕出卷筒时钢丝绳的偏角不应大于3.5°。在实际工作中,... 详细信息

GB/T 3811-2008《起重机设计规范》(以下简称《规范》)中规定了各种工作级别时卷筒的计算直径D与钢丝绳直径d之间的比值(即筒绳直径比)h=D/d需不小于规定值h1,并规定了钢丝绳绕进和绕出卷筒时钢丝绳的偏角不应大于3.5°。在实际工作中,在较大起重量(通常50 t以上)起重机设计时,希望选取较小的h值,较小直径的卷筒,较大倍率的绕绳方式,以选取较小机座号的减速器,从而达到降低成本的目的。然而,由此会加大卷筒长度,使吊钩(具)趋于下极限位置时,卷筒钢丝绳偏角可能不符合设计规范的规定。本文以常规单层卷绕、双联卷筒的吊钩桥(门)式起重机为对象,讨论如何确定筒绳直径比、钢丝绳偏角与倍率间的设计关系。

关键词：钢丝绳偏角桥(门)式起重机极限位置起重量起重机设计钢丝绳直径直径比吊钩

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不同直径比管道车运移时的水力特性

人民黄河 2021年第1期43卷 129-132页

作者：郭亚丽太原城市职业技术学院山西太原030027

筒装料管道水力输送作为一种新型管道水力输送技术,通过在料筒两端分别安装带有万向滚珠的支撑,成功解决了料筒在管道中的悬浮问题并降低了磨损。以直径比为0.5、0.6、0.7、0.8的管道车为研究对象进行试验分析。结果表明:对于既定的管道... 详细信息

筒装料管道水力输送作为一种新型管道水力输送技术,通过在料筒两端分别安装带有万向滚珠的支撑,成功解决了料筒在管道中的悬浮问题并降低了磨损。以直径比为0.5、0.6、0.7、0.8的管道车为研究对象进行试验分析。结果表明:对于既定的管道,流量存在一个阈值Q中,当流量小于阈值时,管道车的平均速度随直径比的增大而增大,当流量大于阈值时,随着直径比的增大,管道车的平均速度表现为先减小后增大的变化趋势,在直径比为0.6左右时,管道车的平均速度最小;管道车在载荷、流量、车长和导流条安放角等参数一定的条件下,随着直径比的增大,总能耗表现为先减小后增大的趋势,总能耗最小值出现在直径比为0.6的工况附近。

关键词：直径比管道车水力输送水力特性

基于雷诺数和直径比两个因素的同心环状缝隙流轴向速度试验研究

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中国农村水利水电 2018年第11期 175-178页

作者：孙蕾临汾市水利勘测设计院山西临汾041000 太原理工大学水利科学与工程学院太原030024

为了进一步研究同心环状缝隙水流特性,通过理论分析推导出环状缝隙流轴向速度的计算公式,得出雷诺数和直径比是影响其大小的主要因素,并结合模型试验研究如何影响,以及其与管道水流速度和圆柱体速度三者之间的关系。结果表明:环状缝隙... 详细信息

为了进一步研究同心环状缝隙水流特性,通过理论分析推导出环状缝隙流轴向速度的计算公式,得出雷诺数和直径比是影响其大小的主要因素,并结合模型试验研究如何影响,以及其与管道水流速度和圆柱体速度三者之间的关系。结果表明:环状缝隙流轴向速度与雷诺数基本成正比的线性关系,同一直径比时,雷诺数越大,圆柱体速度增大最快,管道水流速度次之,环状缝隙流速增大最慢;直径比在0.5~0.7范围时,缝隙流速最大;雷诺数越大,达到稳定运动状态的直径比越小;直径比越大,达到稳定运动状态的雷诺数越小。因此从缝隙流量和系统稳定运行两个角度综合考虑时,建议选择雷诺数的范围为210 700~245 817,直径比为0.7。

关键词：环状缝隙流管道水流轴向速度雷诺数直径比

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不等直径双圆柱流致振动能量转换特性研究

太阳能学报 2023年第9期44卷 1-8页

作者：郭凯程雨轩唐博文樊显涛谭蔚张红升燕山大学河北省水体重金属深度修复与资源利用重点实验室秦皇岛066004 燕山大学环境与化学工程学院秦皇岛066004 天津大学化工学院天津300350

为研究不等直径双圆柱在风力振动发电领域的应用前景和能量俘获特征,该文在L/D=1.5条件下,对不等直径双圆柱流致振动响应和能量转换特性进行研究,其中上游圆柱固定,下游圆柱仅做横流向振动。研究结果表明:下游圆柱会呈现涡激振动与尾流... 详细信息

为研究不等直径双圆柱在风力振动发电领域的应用前景和能量俘获特征,该文在L/D=1.5条件下,对不等直径双圆柱流致振动响应和能量转换特性进行研究,其中上游圆柱固定,下游圆柱仅做横流向振动。研究结果表明:下游圆柱会呈现涡激振动与尾流驰振两种响应,且直径比对下游圆柱的振动响应、受力特性和锁定区范围都有影响。对于获能功率驰振响应为涡激振动的2倍,但对于能量转换效率在涡激振动区间可达约30%,但在驰振区间仅有10%。从分析结果来看,在低折合速度下,d/D=0.8时能量俘获优势较明显,但在高折合速度下,d/D=0.6时能量俘获优势更加显著。

关键词：能量转换计算流体力学风能流致振动直径比动力响应

管道车在不同直径比条件下运移的水力特性研究

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管道车在不同直径比条件下运移的水力特性研究

作者：束德方太原理工大学

学位级别：硕士

随着经济全球化的加速,科技的迅猛发展,现代物流业已在经济快速发展中扮演了越来越重要的角色。传统的物流配送方式包括航空、水路、公路和铁路已很难满足当前经济发展的需要,新型的物流运输方式亟待出现。筒装料管道水力输送作... 详细信息

随着经济全球化的加速,科技的迅猛发展,现代物流业已在经济快速发展中扮演了越来越重要的角色。传统的物流配送方式包括航空、水路、公路和铁路已很难满足当前经济发展的需要,新型的物流运输方式亟待出现。筒装料管道水力输送作为一项新兴的管道水力输送技术,是在总结了以往各种管道水力输送方式优缺点的基础上,而诞生的一种具有清洁、环保、高效、低能耗等优点的物料运输方式。该输送技术不同于浆体管道水力输送和型料管道水力输送,应用前景更为广阔。当前对其进行的试验和理论研究,对其日后的工业化推广应用有着重要意义。本论文内容结合国家自然科学基金项目“筒装料管道水力输送的水力特性研究”（50579044）,采用模型试验与理论研究相结合的技术路线,分析了管道车在不同直径比条件下运移的水力特性,研究的主要内容及成果如下: 1.分析试验数据得到了直径比与管道车平均速度的关系在相同管道车质量、车长、雷诺数条件下,管道车平均速度随直径比增大而增大,几乎呈线性关系。 2.在相同管道车质量、车长、雷诺数条件下,管道车车壁与管壁间环状缝隙内水流的平均流速随直径比先增大后减小,在k =0.6处总存在一个最大值。 3.从总体来看,在管道车车长、荷载、雷诺数等相同的条件下,直径比基本不改变管道整体沿程压力分布曲线的总体趋势,且在管道车运行于管道内的各时刻,管道沿程压力分布趋势也基本相同。 4.在管道车车长、荷载、雷诺数等相同的条件下,随着直径比变化,各时刻测试管段处的压力分布趋势基本一致。 5.各时刻测试管段特定断面附近压力分布规律: 清水时,该测试管段压力分布为沿程下降;初时刻,该断面附近压力较清水时有一轻微的上升;车至时,附近压力又有所增大,但在该断面处,压力有明显下降,下降幅度随直径比增大而先增大后减小的规律,最大值出现在k =0.6处;末时刻,较初始时刻该断面附近压力又有进一步增加。 6.管道车在雷诺数、载荷、车长等参数一定的条件下,无论是管道车运行的初始时刻、中间时刻、末时刻还是各时刻平均,管道水流总能耗值随直径比变化而变化,变化趋势大致相同。即水流总能耗值先随着直径比的增加而减小,当直径比增加到0.6左右时,能耗值又随着直径比的增加而开始增加。 7.在一定的假设前提下,建立了管道车在平直管段平稳运行时的简易数学模型,求解得到了管道车平均速度vc及车体前后端面压力差Δp关于管道水流平均速度vb的表达式。 8.通过使用流体力学软件Flow-3D模拟,得到了平直管段管道车平稳运行时管道局部压力及流速场分布。本文的研究结论对筒装料管道水力输送机理的进一步研究具有重要参考价值,为该项技术早日实现工业化提供了一定的技术参考。

关键词：管道车直径比水力特性数值模拟