秦嘉楠，延耀興，張進山

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

長距離有壓管道輸水作為我國水資源時空調(diào)度的主要方法之一有其明顯的優(yōu)勢，然而在輸水過程中，管道內(nèi)常因過剩水頭的存在，而使輸水系統(tǒng)設(shè)施遭受嚴重的危害。為此，在過去幾十年，經(jīng)過前人無數(shù)次的不懈努力，管道內(nèi)的消能試驗研究取得了很大進展，而利用螺旋流來對壓力管道進行消能已然成為新興的課題之一。最近，為提高螺旋流的過流能力以及管壁處螺旋流的強度，在孔板螺旋流消能裝置[1]的基礎(chǔ)上，延耀興、王霞等人提出一種新的壓力管道消能方式，即轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置[2]，并對其進行了試驗研究后，得到了許多試驗結(jié)論，但試驗過程常會受到儀器的精度、操作復(fù)雜程度、溫度控制、外界環(huán)境穩(wěn)定性以及讀數(shù)等因素的影響而致使研究結(jié)果出現(xiàn)誤差。為此，本文在前人試驗研究的基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置進行三維螺旋流數(shù)值模擬計算，希望從微觀方面來了解該裝置的消能過程，驗證其結(jié)構(gòu)的合理性，將理論與實踐結(jié)合起來探討影響消能效果的各種參數(shù)，最終為裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與試驗方案的合理制定提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值分析模型

1.1 計算假設(shè)

為減小數(shù)值模擬過程中的系統(tǒng)誤差，得到理想的模擬結(jié)果，在此提出如下假設(shè)： 水為不可壓縮流體，且物理屬性不隨水溫發(fā)生變化；忽略重力的影響；在有壓流的作用下，管壁邊界條件不發(fā)生變化，流體與管壁接觸層無相對滑移[3]；管道內(nèi)外不發(fā)生熱交換。

1.2 模型結(jié)構(gòu)說明

轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置是利用轉(zhuǎn)葉孔板之間的相對扭轉(zhuǎn)角度，迫使通過的水流在短距離內(nèi)發(fā)生瞬間旋轉(zhuǎn)，從而形成高強度螺旋流以達到消能目的。為便于比較數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果，本文選取的壓力模擬計算點與裝置試驗時測壓點的布置一致，如圖1所示，孔板片結(jié)構(gòu)及其組合見圖2，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 裝置模擬計算壓力點示意圖(單位：mm)

圖2 轉(zhuǎn)葉孔板片示意圖及其組合圖

孔板片數(shù)/片進出水管內(nèi)徑/mm孔板室內(nèi)徑與長度/mm單片孔板厚度/mm開口角度γ/(°)片間扭轉(zhuǎn)角度/(°)3Φ100Φ150×20001015、300、3、6

1.3 三維計算模型

根據(jù)試驗裝置結(jié)構(gòu)知，本次模擬計算模型的轉(zhuǎn)葉孔板組合是將3片孔板以間距為0 mm串聯(lián)起來的，然后根據(jù)表1中裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立幾何模型，把水流方向設(shè)為Z軸，過水斷面設(shè)為X-Y平面，如圖3所示。

圖3 消能裝置幾何模型

其中裝置主要部分的三維計算模型，見圖4與圖5。

圖4 管徑增大處與減小處三維計算模型

圖5 孔板組合處三維計算模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

文中通過對各特征斷面上的壓力進行數(shù)值分析，從微觀上來探究轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的消能過程；將模擬計算所得壓力與試驗各測點所測壓力進行比較來驗證裝置結(jié)構(gòu)的合理性；將不同參數(shù)下模擬計算所得壓力進行數(shù)值分析來探索雷諾數(shù)、扭轉(zhuǎn)角度等參數(shù)對消能效率的影響。為便于比較分析，在數(shù)值模擬過程中沿管軸方向設(shè)置如下特征斷面：Z=100，250，300，600，930，1 050，1 300，1 700，2 100，2 300。

2.1 數(shù)據(jù)收集

文中選取以開口角度為30°，扭轉(zhuǎn)角度為6°時，不同雷諾數(shù)下通過模擬計算所得各測點的壓力值以及開口角度為30°，雷諾數(shù)為192 595時，扭轉(zhuǎn)角度為0°、3°、6°、9°下通過模擬計算所得各測點壓力值，如表2和表3所示。

表2 開口角度30°，扭轉(zhuǎn)角度6° kPa

表3 開口角度30°，雷諾數(shù)192 595 kPa

2.2 裝置消能過程的探究

根據(jù)裝置試驗研究可知：轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置消能的主力區(qū)在轉(zhuǎn)葉孔板組合段[2]，因為流經(jīng)此處的水流在孔板組合的強制扭轉(zhuǎn)作用下形成了流場復(fù)雜的螺旋流，而螺旋流的產(chǎn)生與消歿能夠引起大量的水頭損失。為從壓力層面研究裝置的消能過程及探究管道內(nèi)水流復(fù)雜的流態(tài)，文中模擬并分析了裝置在開口角度為15°，扭轉(zhuǎn)角度為6°時，特征斷面上的壓力分布情況，如圖6與圖7所示。

圖6 孔板組合前特征斷面的壓力分布圖

圖7 孔板組合段后特征斷面壓力分布圖

由圖6可知：當水流剛進入消能裝置時，其流動狀態(tài)符合傳統(tǒng)湍流特性[4]，即在貼近管壁處，因流體與管壁的黏滯力比流體內(nèi)部之間的黏滯力稍大，所以壓力稍大，管道內(nèi)壓力的分布狀況是沿管徑方向壓力稍有增大，因此在管軸處水流的壓力最小，但相差不大，此時斷面的壓力分布與傳統(tǒng)無變徑管道內(nèi)湍流的壓力分布情況一致，如圖6中Z=100所示。當水流經(jīng)過管徑擴大段，流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)急需調(diào)整，在管道拐角處產(chǎn)生了漩渦，導致管壁處壓力有所降低，而此時管道主流在擴散過程中，流束不僅與管壁發(fā)生碰撞而且流束內(nèi)部之間也產(chǎn)生較強的相互作用，所以管軸處壓力比管壁處大些。如圖6中Z=250所示。由于拐角漩渦對水流的影響范圍是一定的，隨著水流往前流動，流態(tài)逐漸向穩(wěn)定的湍流過渡，管軸附近的壓力相對減少一些，如圖6中Z=300所示。隨著漩渦對流態(tài)影響的逐漸消失，水流最終轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)意義上的湍流模式[4]，壓力逐漸恢復(fù)到經(jīng)典湍流壓力分布狀態(tài)，但由于轉(zhuǎn)葉孔板組合的存在，總體壓力急劇升高。如圖6中Z=600所示。

由圖7可知：當水流流經(jīng)轉(zhuǎn)葉孔板組合時，由于孔板結(jié)構(gòu)的強制作用，管壁附近處水流速度變大，水流動能變大，根據(jù)能量守恒原理，管道內(nèi)水流勢能減小，所以管壁處壓力會迅速減小，而管軸附近的水流速度未發(fā)生較大變化，因此壓力大小變化不大。如圖7中Z=930所示。在水流經(jīng)過轉(zhuǎn)葉孔板組合后，隨著水流切向速度的急劇增大，產(chǎn)生了高強度的螺旋流，水流沿著管壁做螺旋運動，根據(jù)動量定理，管壁處所受壓力較大，而管軸附近會產(chǎn)生小部分的空水區(qū)，壓力稍有所降低。如圖7中Z=1 000和Z=1 050所示。隨著水流繼續(xù)向前流動，孔板射流的影響衰減，水流逐漸形成了穩(wěn)定的螺旋流，而管軸附近因產(chǎn)生回流，壓力有所減小，但管壁附近的水流會繼續(xù)沿著管壁做螺旋運動，壓力較大。如圖7中Z=1 300所示。在螺旋流的作用下，流束與管壁之間以及流束內(nèi)部之間的相互作用增強，水流的沿程水頭損失增多。在此之后，隨著水流繼續(xù)向前流動，螺旋流的作用逐漸衰減，最后水流將會再次過渡到傳統(tǒng)的湍流運動狀態(tài)，壓力分布也隨之恢復(fù)到經(jīng)典湍流分布狀態(tài)，其分布規(guī)律如圖7中Z=1 700～Z=2 300所示。

上述中根據(jù)模擬計算結(jié)果分析的消能過程與裝置試驗時構(gòu)想的消能過程相一致，而且經(jīng)過比較圖6與圖7后可知，盡管水流最終會恢復(fù)到傳統(tǒng)意義的湍流模式，但在Z=2 300斷面處的壓力顯然比Z=100處的壓力減小很多，說明通過利用該消能裝置確實能夠達到消除有壓管道內(nèi)過剩水頭的目的。

2.3 裝置結(jié)構(gòu)的合理性驗證

為驗證試驗裝置設(shè)計的合理性，需在雷諾數(shù)Re、孔板開口角度、扭轉(zhuǎn)角度相同的情況下，將試驗所測壓力數(shù)值與模擬計算所得壓力數(shù)值進行比較，現(xiàn)取4組有效數(shù)據(jù)，將其分別繪制在同一坐標系下進行比較分析，如圖8所示。

圖8 不同雷諾數(shù)年下測點壓力變化比較

由圖8可看出：轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置出水口的壓力較入水口的壓力降低很多，而且軟件數(shù)值模擬所得的壓力變化規(guī)律與裝置試驗研究所測得的壓力變化規(guī)律是一致的，這驗證了試驗裝置設(shè)計的合理性。

2.4 不同參數(shù)下壓力數(shù)值分析

將測點1和測點7的壓力差與測點1壓力的比值定義為轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的消能效率，以此來描述不同參數(shù)對該裝置消能效果的影響。

(1)不同雷諾數(shù)下壓力數(shù)值分析。根據(jù)表2繪制模擬所得的不同雷諾數(shù)對應(yīng)的測點壓力圖以及消能效率曲線，如圖9所示。

圖9 不同雷諾數(shù)下測點壓力變化規(guī)律及消能效率曲線

將圖9與前人試驗研究[2]對比可知：當裝置開口角度，扭轉(zhuǎn)角度相同時，在不同雷諾數(shù)下，兩者測壓點的壓力值變化規(guī)律是一致的，即：當水流經(jīng)過管徑擴大段時，由于過水斷面增大，壓力有所降低，但很不明顯；當水流到達轉(zhuǎn)葉孔板組合段前，由于孔板組合存在，壓力有所升高；當水流經(jīng)過孔板組合段時，由于在孔板組合的強制扭轉(zhuǎn)下，形成高強度的螺旋流，而螺旋流的產(chǎn)生與消歿伴隨著大量能量的損失，所以隨著水流繼續(xù)前進，壓力大幅度減小。從圖9中可清晰看出該裝置的消能主力區(qū)在轉(zhuǎn)葉孔板組合段，這與裝置設(shè)計的目的一致。分析消能效率曲線可知：不同雷諾數(shù)的水流，經(jīng)過同一轉(zhuǎn)葉孔板方案下的螺旋流消能裝置時，裝置的消能效果不同，且隨著雷諾數(shù)增大，裝置消能效率提高，這與試驗研究所得結(jié)論一致。

(2)不同扭轉(zhuǎn)角度下壓力數(shù)值分析。由表3可繪制模擬所得的不同扭轉(zhuǎn)角度下對應(yīng)測點壓力圖以及消能效率曲線，如圖10所示。

圖10 不同扭轉(zhuǎn)角度下測壓點壓力變化規(guī)律與消能效率曲線

將圖10與前人試驗研究[2]對比可知：在雷諾數(shù)一定時，隨著裝置孔板間扭轉(zhuǎn)角度的變化，兩者消能過程中的壓力變化規(guī)律是一致的。分析消能效率曲線可知：扭轉(zhuǎn)角度對轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的消能效果有很大的影響，且隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加，消能效率增大，消能效果也就越好，使得通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度來控制該消能裝置的消能效果成為可能。與此同時，經(jīng)分析裝置結(jié)構(gòu)不難看出：當裝置扭轉(zhuǎn)角度為0°時，裝置相當于孔板射流裝置，由此驗證了轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的消能效果優(yōu)于同類孔板射流裝置的消能效果。

3 結(jié) 語

(1)模擬計算結(jié)果分析的壓力變化規(guī)律與裝置試驗研究結(jié)果一致，轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的試驗設(shè)計合理。

(2)裝置的消能過程與試驗的構(gòu)想一致，符合實際情況。

(3)一定條件下，裝置的消能效果隨雷諾數(shù)和孔板間扭轉(zhuǎn)角度的增大而增強，這表明通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度來控制轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置的消能效果是可行的，可為裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論指導。

(4)試驗研究結(jié)果驗證了數(shù)值模擬的正確性，而數(shù)值模擬計算結(jié)果對消能裝置進一步的試驗研究具有指導意義。

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[1] 延耀興,張 杰.孔板螺旋流消能裝置效果試驗研究[D].太原:太原理工大學,2006.

[2] 延耀興,王 霞.轉(zhuǎn)葉螺旋流消能裝置試驗研究[D].太原:太原理工大學,2014.

[3] 胡玉生,曾丹苓.流體脈動強化對流換熱的數(shù)值模擬[D].重慶:重慶大學,2005.

[4] 吳持恭.水力學[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5] 延耀興,公緒英,張 杰.螺旋式孔口管道消能裝置水力特性試驗研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2006,16(22):168-170.