馬成功，吳 劍，魯一凡，李永業(yè)，張雪蘭

(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

與傳統(tǒng)運輸方式相比[1]，筒裝料管道水力輸送技術(shù)在增加運輸量的同時，還可以降低能耗、減少污染[2]。然而，筒裝料管道水力輸送技術(shù)從理論研究到工程應(yīng)用需要經(jīng)歷漫長的過程，之前有學(xué)者分別對管道車的荷重、徑長比、直徑比以及導(dǎo)流條的角度、長度和在不同雷諾數(shù)條件下的水力特性和流速特性進行了研究[3- 6]，并主要集中于單車工況下的流速特性情況，而對雙車的流速特性研究很少。因此，本文針對同型管道雙車在不同流量條件下的縫隙流流速特性進行研究，以豐富筒裝料管道水力輸送理論，促進筒裝料管道水力輸送的工程運用[7- 8]。

1 試驗裝置及試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗系統(tǒng)由運輸管道、動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分組成。其中運輸管道為內(nèi)徑為100 mm的有機玻璃圓管，由水泵提供動力，通過閥門和電磁流量計控制流量大小，最后由多普勒激光測速儀(LDV)測量管道內(nèi)水的流速。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)布置

1.2 試驗方案

圖3 測環(huán)和測點布置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同流量下特征斷面的縫隙流軸向流速分布特性

軸向流速即為沿著管道軸心方向的流速。以后車車身環(huán)隙第1斷面和前車車身環(huán)隙第11斷面為例分析環(huán)隙流軸向流速分布特性，環(huán)隙斷面軸向速度分布如圖4、5所示。

圖4 不同流量下的1斷面縫隙流軸向流速分布等值線(單位：m/s)

圖5 不同流量下的11斷面縫隙流軸向流速分布等值線(單位：m/s)

由圖4和圖5可知，隨著流量的增加，各斷面的縫隙流軸向流速均增大，水流由滿管進入管道車與管壁之間的縫隙，過流面積急劇減小，流線急劇收縮，流線較紊亂。同時流量越大，同一斷面的軸向流速梯度越大，流速分布越紊亂(該點速度的大小和方向隨時間的變化而不斷變化，當流量越大時，這種變化規(guī)律越不明顯)。由于管壁與管道車壁存在摩擦阻力與粘滯阻力，靠近邊界的流速很小，軸心處流速大；流量越大流速越大，流速相對紊亂。

2.2 不同斷面上的同一測點的軸向速度變化

為了研究流速的沿程分布特征，以極軸0°半徑為40 mm的點為例(其他點的規(guī)律大致相同)，得到了該點在不同流量下不同斷面的流速大小，如圖6所示。

圖6 不同測試斷面上同一測點的軸向速度變化趨勢圖

由圖6可以看出，水流經(jīng)過管道車測試斷面的前部，流速增大；進入管道車測試段的中段，縫隙流流速趨于平穩(wěn)，基本保持同一流速，速度變化浮動??；經(jīng)過中段后，流速再次發(fā)生較大變化，后車測試段與前車流速變化情況基本相同。由Q=V×A得出，在水流經(jīng)過前車測試段前時，由于過水斷面的面積突然減小(滿管變?yōu)楣艿儡嚭凸艿纼?nèi)壁形成的縫隙)，流量不變，所以使得流速增大，且流速受管道車支腳的影響，流速較紊亂；在經(jīng)過斷面1、2(或斷面11、12)后，水流經(jīng)過再分布，流速趨于穩(wěn)定，變化幅度小；到達斷面4、5(或斷面14、15)時，過流斷面面積變大，在流量不變的情況下，使流速突然變小。并且分別在流量為30、40、50 m3/h的情況下，流速變化趨勢基本相同。

2.3 同一測環(huán)不同極軸上的軸向速度變化

選取前車車中斷面13作為研究對象，對該測試斷面上的半徑分別為47.5、45、43.75、42.5 mm和40 mm的5個測環(huán)在不同極軸角度時的縫隙流流速變化進行分析，速度分布如圖7所示。

圖7 不同測環(huán)半徑軸向速度隨極軸角度變化規(guī)律

從圖7可以得出，軸向速度隨著極軸角度的變化呈現(xiàn)波浪狀變化，但變化幅度不大，基本趨于穩(wěn)定。軸向流速關(guān)于180°呈左右對稱，主要由于該結(jié)構(gòu)左右對稱，方向豎直，受力因此也大致對稱，而其他兩個支腳均與之成120°夾角。在180°出現(xiàn)極小點，主要是由于在180°位置有支撐體存在，對水流存在阻力作用，產(chǎn)生了繞流，受重力作用也比較明顯。

2.4 同一極軸上不同測環(huán)的軸向速度變化

針對管道雙車不同位置縫隙流流速的分布情況，分別對前車的測試斷面3、滿管測試斷面8、后車測試斷面13在極軸180°處不同測環(huán)的縫隙流軸向速度進行研究，如圖8所示。

圖8 不同斷面相同極軸的軸向速度分布

由圖8可知，前車與后車縫隙流斷面軸向流速隨測環(huán)半徑的增大都表現(xiàn)出先增大再穩(wěn)定，最后再減小的變化趨勢；而車間滿管斷面軸向速度隨著測環(huán)半徑的增大先增大后減小。這主要是由于在管道車壁和管壁表面存在較大的摩擦阻力和粘滯力，對水流的流動有阻礙作用，所以管道中間流速大，兩邊流速小。

3 結(jié) 論

(1)流量越大，各斷面軸向流速越大，流速梯度越大。

(2)水流經(jīng)過管道車測試斷面的前部，流速增大；進入管道車測試段的中段，縫隙流流速趨于平穩(wěn)，基本保持同一流速，速度變化浮動??；經(jīng)過中段后，流速再次發(fā)生較大變化，后車測試段與前車流速變化情況基本相同，在車間滿管測試斷面流速突然減小。

(3)軸向速度隨著極軸角度的變化呈現(xiàn)波浪狀變化，但變化幅度不大，基本趨于穩(wěn)定。軸向流速關(guān)于180°呈左右對稱，在180°出現(xiàn)極小值。

(4)前車與后車縫隙流斷面軸向流速隨測環(huán)半徑的增大都表現(xiàn)出先增大再穩(wěn)定，最后再減小的變化趨勢；而車間滿管斷面軸向速度隨著測環(huán)半徑的增大先增大后減小。