張春晉， 張學(xué)琴， 張 敏， 李永業(yè)， 孫西歡

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；4.濟(jì)南黃河河務(wù)局章丘黃河河務(wù)局，濟(jì)南 250200；5.黃河水利委員會(huì)規(guī)劃計(jì)劃局，鄭州 450003)

目前，傳統(tǒng)運(yùn)輸方式將造成交通阻塞、能源危機(jī)與環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。(筒裝料管道水力輸送是一種低碳環(huán)保的新型運(yùn)輸方式，其原理是將物料盛裝于管道車，依靠管道流體的動(dòng)能推動(dòng)管道車長(zhǎng)距離運(yùn)輸。

近年來，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)筒裝料管道水力輸送展開大量研究。試驗(yàn)方面：李永業(yè)等[2]探討了不同型號(hào)管道車振動(dòng)運(yùn)移水力特性。Kruyer等[3]分析了管道車結(jié)構(gòu)變量與平動(dòng)速度的函數(shù)關(guān)系。王銳等[4]將管道車振動(dòng)運(yùn)移劃分為四個(gè)階段。Latto等[5]探究了管道車振動(dòng)運(yùn)移的平動(dòng)速度比、壓降比及能耗比對(duì)管道流場(chǎng)特性的影響。井元昊等[6]提出了管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道流體最佳雷諾數(shù)的概念。Lenau等[7]研究了引起圓柱狀管道車在障礙物作用下保持傾斜狀態(tài)的臨界啟動(dòng)流速。由于儀器限制，模型試驗(yàn)并不能完全獲得管道流場(chǎng)水力特性。仿真方面：Barthès-Biesel[8]結(jié)合湍流基本關(guān)系，探討了管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道的系統(tǒng)能耗。Khalil等[9]求解了單個(gè)管道車振動(dòng)運(yùn)移的本構(gòu)方程。Asim等[10]對(duì)管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)水力特性進(jìn)行了計(jì)算。目前，數(shù)值模擬研究?jī)H考慮了管道車結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)管道流場(chǎng)的影響，并未考慮兩者的耦合作用。實(shí)際上，管道車與管道流體存在著明顯耦合作用，即一方面管道車在管道流體作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)響應(yīng)，另一方面管道車結(jié)構(gòu)響應(yīng)又反過來影響管道流場(chǎng)特性。因此，采用流固耦合分析方法十分必要。目前，流固耦合分析方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械方面[11]取得大量成果，但是對(duì)于筒裝料管道水力輸送卻涉及較少。為準(zhǔn)確掌握筒裝料管道水力輸送流速及壓強(qiáng)的分布特性，基于Fluent軟件對(duì)管道車在平直管道振動(dòng)運(yùn)移水力特性進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算，本研究將為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道車輸送效果提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 管道車結(jié)構(gòu)

管道車由料筒、支撐體和萬向滾珠組成。管道車長(zhǎng)度和直徑采用lc和dc表示。直徑比為管道車與管道兩者直徑的比值，采用kc表示。支撐體呈等間距布置在料筒端面，從而使得管道車與管道始終保持同心狀態(tài)。萬向滾珠安裝在支撐體末端，以減小摩擦阻力。荷載由直徑為8 mm的鋼珠組成。管道車結(jié)構(gòu)如圖1。

1.管道；2.料筒；3.支撐體；4.萬向滾珠。圖1 管道車結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a pipeline vehicle

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、控制裝置、輸送裝置及接收裝置組成，如圖2。動(dòng)力裝置由水箱與離心泵組成?？刂蒲b置包括電磁流量計(jì)、調(diào)壓室、調(diào)節(jié)閥和制動(dòng)裝置。輸送裝置為有機(jī)玻璃管道，長(zhǎng)度28.62 m，直徑0.1 m，壁厚0.05 m。有機(jī)玻璃管道還布置有水槽，用于防止激光在管壁發(fā)生折射。接收裝置由投放裝置、塑料集車箱和穩(wěn)流板組成。試驗(yàn)時(shí)，先將水流通過離心泵抽至有機(jī)玻璃管道，待流量穩(wěn)定后，將管道車從投放裝置注入輸送管道。當(dāng)管道車運(yùn)行至測(cè)試斷面，對(duì)管道流場(chǎng)流速與壓強(qiáng)進(jìn)行采集，并傳輸至計(jì)算機(jī)。

1.離心泵；2.鋼管段；3.調(diào)壓室；4.調(diào)節(jié)閥；5.電磁流量計(jì)；6.投放裝置；7.制動(dòng)裝置；8.光電計(jì)時(shí)器；9.壓力傳感器；10.水槽；11.管道車；12.試驗(yàn)測(cè)試段；13.數(shù)字顯示器；14.彎管；15.動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)采集系統(tǒng)；16.高速攝像機(jī)；17.激光流速儀；18.信號(hào)接受平臺(tái)；19.計(jì)算機(jī)；20.配電箱；21.平直管道；22.溫控裝置；23.塑料集車箱；24.穩(wěn)流板與水箱；25.流動(dòng)方向。圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)(m)Fig.2 Experimental system(m)

1.3 試驗(yàn)方案

管道車長(zhǎng)度0.1 m，直徑比0.4～0.9，間隔0.05。設(shè)計(jì)流量40、50、60和70 m3/h，荷載0.6 kg。試驗(yàn)測(cè)試段長(zhǎng)度5.8 m，距離彎管進(jìn)口斷面2.7 m，距上游制動(dòng)裝置4.7 m。試驗(yàn)測(cè)試段布置4個(gè)流速測(cè)試斷面，距其進(jìn)口斷面2.4、2.5、2.6及2.7 m，并且命名為1#、2#、3#及4#。采用激光流速儀與光電計(jì)時(shí)器測(cè)量流速分布。采用壓力傳感器與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)采集系統(tǒng)測(cè)量測(cè)壓管水頭。采用高速攝像機(jī)測(cè)量管道車瞬時(shí)平動(dòng)速度。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 流體域控制方程

考慮到管道流場(chǎng)的復(fù)雜性，需做如下假設(shè)：①忽略流體密度變化；②忽略流體與壁面摩擦熱量。流體域控制方程包括連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均動(dòng)量方程。由于RNGk-ε湍流模型能更好地處理流線彎曲程度較大的流動(dòng)。因此，本文選擇RNGk-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算域近壁面區(qū)域，由于雷諾數(shù)較低，RNGk-ε湍流模型不再適用。為此，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[12]進(jìn)行處理。

2.2 結(jié)構(gòu)域控制方程

管道車結(jié)構(gòu)響應(yīng)涉及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變與結(jié)構(gòu)形態(tài)改變。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變指在流體作用下管道車產(chǎn)生沿管道平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和以管中心為軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)形態(tài)改變指在流體作用下管道車應(yīng)力與應(yīng)變情況。管道車在平直管道運(yùn)移時(shí)，其形狀、大小及內(nèi)部各點(diǎn)相對(duì)位置變化微小，可忽略不計(jì)，即將管道車視為“剛體”可達(dá)到模型求解精度。另外，若將管道車視為“彈性體”，還需設(shè)置彈性模量、泊松比及密度等物理量，這將增加模型求解運(yùn)算量。通過對(duì)比運(yùn)算量及求解精度，將管道車視為“剛體”較為合理，能充分體現(xiàn)管道車與流體的耦合作用。利用哈密爾頓原理建立結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)置與流體相應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)。流體中離散后結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程[13]可表達(dá)為

Mx″+Cx′+Kx=Fs+Fu

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛體矩陣；Fs為非流體荷載；Fu為耦合作用力；x、x′和x″分別為節(jié)點(diǎn)位移矢量、速度矢量及加速度矢量。

在流體與管道車耦合界面，流體與管道車瞬時(shí)位移與瞬時(shí)應(yīng)力守恒。在Fluent軟件中，6DoF耦合模型原理是利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程求解管道車平動(dòng)加速度與旋轉(zhuǎn)角加速度。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程中荷載包括流體與非流體兩種荷載。流體荷載通過6DoF耦合模型計(jì)算，非流體荷載通過UDFs定義。管道流體與輸送管道也存在耦合作用。管道在流體作用下，一方面不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，另一方面產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形態(tài)改變可忽略不計(jì)。因此，本文不考慮流體與輸送管道之間的耦合作用是合理的。

2.3 求解算法

運(yùn)用6DoF耦合模型和UDFs自定義函數(shù)對(duì)管道車結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)管道流體域數(shù)據(jù)與管道車結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格實(shí)時(shí)修正[14]。算法步驟：①運(yùn)用RNGk-ε湍流模型求解流體域；②采用UDFs對(duì)管道車振動(dòng)運(yùn)移過程中質(zhì)量、阻力及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行定義；③6DoF耦合模型求解管道車結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，獲得管道車瞬時(shí)平動(dòng)位移、平動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)角速度；④利用動(dòng)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)管道車瞬態(tài)位移；⑤將管道車瞬時(shí)平動(dòng)位移、平動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)角速度作為下一時(shí)刻邊界條件，繼續(xù)求解管道車結(jié)構(gòu)響應(yīng)，直至管道車運(yùn)移至指定位置為止。

2.4 幾何模型和網(wǎng)格劃分

采用AutoCAD軟件建立筒裝料管道水力輸送幾何模型。幾何模型包括平直管道與管道車。平直管道長(zhǎng)度5.8 m，與試驗(yàn)測(cè)試段長(zhǎng)度相同。平直管道劃分為進(jìn)口管道、運(yùn)動(dòng)管道及出口管道。幾何模型如圖3。

注：AB為進(jìn)口斷面；CD為出口斷面；Dc為管徑；f(u)為進(jìn)口斷面軸向流速分布函數(shù)。圖3 幾何模型Fig.3 Geometric model

管道車長(zhǎng)度0.1 m，直徑0.04～0.09 m，間隔0.005 m。支撐體由細(xì)圓柱體和薄鋼板片組成。半球狀萬向滾珠安裝在支撐體外側(cè)。在初始時(shí)刻，管道車與幾何模型進(jìn)口斷面距離0.7 m。幾何模型進(jìn)口斷面中心為

坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸為流體方向，X軸為水平向左和Y軸為豎直向上。

計(jì)算域包括管道流體域與管道車結(jié)構(gòu)域。管道流體域包括進(jìn)口管道、運(yùn)動(dòng)管道和出口管道。進(jìn)口管道與出口管道采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格加密。運(yùn)動(dòng)管道采用與六面體網(wǎng)格相同尺寸的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格加密。本文對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)[15]。

據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果可得由0.001 8 m和0.002 m兩種網(wǎng)格計(jì)算的四種管道車直徑比條件下幾何模型進(jìn)口斷面平均壓強(qiáng)相對(duì)誤差都不超過0.5%。定義相鄰兩種體網(wǎng)格尺寸劃分幾何模型流體域，當(dāng)進(jìn)口斷面平均壓強(qiáng)相對(duì)誤差小于0.5%時(shí)，則網(wǎng)格尺寸對(duì)于幾何模型進(jìn)口斷面平均壓強(qiáng)的影響程度可以忽略不計(jì)。因此，管道流體域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.002 m時(shí)，已滿足網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)要求[16]。

管道車結(jié)構(gòu)域采用三角形網(wǎng)格加密。管道車動(dòng)邊界和管道靜邊界近壁面區(qū)域流速梯度大，采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行邊界層加密。經(jīng)計(jì)算，邊界層第1層網(wǎng)格厚度0.253 mm(y+=30)，比例因子1.2，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)9。

2.5 邊界條件與數(shù)值算法

由于管徑較小，因此，數(shù)值計(jì)算中忽略重力對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)的影響。環(huán)境壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，流體動(dòng)力黏度1.062×10-3Pa·s(18 °C)。支撐體密度7.93×103kg/m，料筒密度1.2×103kg/m，萬向滾珠密度7.78×103kg/m。

根據(jù)圖3，對(duì)幾何模型設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。進(jìn)口邊界設(shè)置為流速入口。根據(jù)進(jìn)口斷面實(shí)測(cè)流速，結(jié)合UDFs自定義函數(shù)輔助定義進(jìn)口斷面流速分布。通過半經(jīng)驗(yàn)公式[17]計(jì)算得到進(jìn)口邊界的湍流強(qiáng)度、湍動(dòng)能及湍流耗散率等物理量。出口邊界設(shè)置為壓力出口。采用壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值定義出口斷面壓強(qiáng)分布。管壁采用無滑移邊界條件[18]。管道車邊界設(shè)置為動(dòng)邊界。采用6DoF耦合模型和UDFs自定義函數(shù)定義。UDFs除了定義管道車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和滾動(dòng)摩擦阻力，還定義運(yùn)移范圍和初始狀態(tài)。

采用PISO流速與壓強(qiáng)耦合算法。雷諾時(shí)均動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程的對(duì)流項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)則采用中心差分格式離散。連續(xù)性方程的壓強(qiáng)項(xiàng)選擇PRESTO格式離散。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 管道車瞬時(shí)平動(dòng)速度模擬與驗(yàn)證

圖4為設(shè)計(jì)流量為50 m3/h時(shí)管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道車瞬時(shí)平動(dòng)速度模擬值與試驗(yàn)值對(duì)照?qǐng)D。

據(jù)圖4可得：①模擬值與試驗(yàn)值一致，且最大相對(duì)誤差不超過4.93%；②流體脈動(dòng)壓強(qiáng)的無規(guī)則波動(dòng)將引起管道流體對(duì)管道車的瞬時(shí)荷載產(chǎn)生無規(guī)則波動(dòng)變化，導(dǎo)致管道車瞬時(shí)平動(dòng)速度呈波動(dòng)變化，因此可以將管道車的運(yùn)動(dòng)視為振動(dòng)運(yùn)移；③管道車直徑比增大使得其體積增大，引起管道車滾動(dòng)摩擦阻力減小，進(jìn)而導(dǎo)致其平均平動(dòng)速度也增大。

3.2 管道流速模擬與驗(yàn)證

圖5為設(shè)計(jì)流量為50 m3/h時(shí)管道車振動(dòng)運(yùn)移至距幾何模型進(jìn)口斷面2.5 m時(shí)，管道軸向流速模擬值與試驗(yàn)值對(duì)照?qǐng)D。

據(jù)圖5可得：①模擬值和試驗(yàn)值一致，且最大相對(duì)誤差不超過5.36%；②管道車上游斷面流速呈指數(shù)分布；③環(huán)狀縫隙流在管道車車前端面出現(xiàn)了邊界層分離，隨后管道車下游流體回填邊界層分離引起的空腔。因此，管道車下游流場(chǎng)斷面流速呈中間流速低，兩邊流速高的變化趨勢(shì)；④流速測(cè)量斷面越遠(yuǎn)離管道車車前端面，則管道流場(chǎng)受到的邊界層分離影響程度則越小，使得管道中央的回流范圍減小，導(dǎo)致軸向流速增大；⑤管道車車中斷面環(huán)狀縫隙水平極軸處軸向流速分布呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。

圖6為設(shè)計(jì)流量為50 m3/h時(shí)管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道軸向流速分布圖。圖中管道流場(chǎng)軸向流速為模擬值。

注：Sc為管道車與幾何模型進(jìn)口斷面的距離；vc為瞬時(shí)平動(dòng)速度；θc為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角度；ωc為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度。圖6 管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道軸向流速分布圖Fig.6 Axial velocity distributions of vibrational migration of a piped carriage in a pipeline

據(jù)圖6可得：①管道車壁面處邊界層存在逆壓梯度，在逆壓梯度作用下環(huán)狀縫隙流在管道車車前端面近壁面產(chǎn)生了邊界層分離現(xiàn)象，使得主流離開管道車的車前端面，同時(shí)管道車下游流體隨機(jī)回填邊界層分離產(chǎn)生的空腔區(qū)域。因此管道車下游流場(chǎng)存在明顯的低流速區(qū)；②管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)環(huán)狀縫隙進(jìn)口和管道車下游流場(chǎng)管道近壁面存在高流速區(qū)。環(huán)狀縫隙進(jìn)口高流速區(qū)是由管道車動(dòng)邊界引起流線彎曲導(dǎo)致。管道車下游流場(chǎng)管道近壁面高流速區(qū)是由回流流體在車前端面作用下向管道近壁面高速擴(kuò)散形成；③管道車在平直管道內(nèi)振動(dòng)運(yùn)移時(shí)瞬時(shí)平動(dòng)速度和瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度的變化幅度都較小，使得管道車與管道流體組成的耦合系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)要素處于恒定狀態(tài)。因此，不同時(shí)刻管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)軸向流速分布基本一致；④管道車瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度在±0.1 rad/s范圍。由于管道車呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得管道車在管道內(nèi)振動(dòng)運(yùn)移時(shí)不容易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。

3.3 管道壓強(qiáng)模擬與驗(yàn)證

圖7為設(shè)計(jì)流量為50 m3/h時(shí)管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道沿程測(cè)壓管水頭模擬值與試驗(yàn)值對(duì)照?qǐng)D。

據(jù)圖7可得：①模擬值和試驗(yàn)值一致，且最大相對(duì)誤差不超過1.84%；②管道流體受到管道車車后端面支撐體影響，引起管道斷面突然收縮，使得管道壓強(qiáng)降低。隨后流體進(jìn)入環(huán)狀縫隙，在環(huán)狀縫隙進(jìn)口產(chǎn)生邊界層分離，壓強(qiáng)降低。而環(huán)狀縫隙流體得到充分發(fā)展，壓強(qiáng)升高。在管道車車前近壁面，環(huán)狀縫隙流在管道車壁面產(chǎn)生邊界層分離，導(dǎo)致車前近壁面壓強(qiáng)急劇降低。最后在管道車下游，環(huán)狀縫隙流與管道車下游流體相互作用，環(huán)狀縫隙流體在向下游流場(chǎng)擴(kuò)散時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為下游流體壓能，使得管道車下游壓強(qiáng)驟然回升。因此，管道車近壁面流場(chǎng)測(cè)壓管水頭形成了“W”型；③管道車上下游流場(chǎng)測(cè)壓管水頭呈降低的線性變化趨勢(shì)。

圖8為設(shè)計(jì)流量為50 m3/h時(shí)管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道壓強(qiáng)分布云圖。圖中管道流場(chǎng)壓強(qiáng)為模擬值。

圖8 管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道壓強(qiáng)分布圖Fig.8 Pressure distributions of vibrational migration of a piped carriage in a pipeline

據(jù)圖8可得：①管道車上游流體與管道車發(fā)生相互作用，使得流體將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，因此該區(qū)域壓強(qiáng)將增大；②環(huán)狀縫隙流與管道車下游流體發(fā)生相互摻混時(shí)，管道流場(chǎng)同時(shí)存在能量耗散與能量轉(zhuǎn)化。能量耗散和能量轉(zhuǎn)化共同引起管道車下游流場(chǎng)出現(xiàn)低壓區(qū)，而能量轉(zhuǎn)化使得低壓區(qū)下游流體壓強(qiáng)再次升高；③流體在環(huán)狀縫隙進(jìn)口斷面突然束窄，主流離開料筒壁面，此時(shí)下游流體隨即填補(bǔ)主流空腔區(qū)域，產(chǎn)生渦旋能耗。因此，環(huán)狀縫隙進(jìn)口出現(xiàn)了明顯低壓區(qū)；④環(huán)狀縫隙流向上游回流時(shí)受到管道車作用，導(dǎo)致回流流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其壓能；⑤隨著管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)間的增長(zhǎng)，管道車近壁面流場(chǎng)的壓強(qiáng)分布呈降低的變化趨勢(shì)。

3.4 能耗損失

管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)能耗損失采用管道壓降系數(shù)表示，管道壓降系數(shù)指管道車存在于流體內(nèi)的總能耗與空管道流體總能耗之間的比值。由于流體脈動(dòng)壓強(qiáng)的作用，管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)壓降系數(shù)隨時(shí)間呈不規(guī)則波動(dòng)變化。為此，采用管道平均壓降系數(shù)分析管道車振動(dòng)運(yùn)移引起的能耗損失。圖9為管道平均壓降系數(shù)與直徑比的變化曲線。圖中管道平均壓降系數(shù)為模擬值。

圖9 管道平均壓降系數(shù)與直徑比的變化曲線Fig.9 Variation curve between average pressure drop coefficient and diameter ratio for a pipeline

據(jù)圖9可得：①隨著管道車直徑比增加，管道平均壓降系數(shù)先減小后增大，且直徑比為0.75管道車振動(dòng)運(yùn)移引起的管道平均壓降系數(shù)最?。虎诠艿懒髁吭酱笫沟每展艿懒黧w沿程能耗增加，引起管道車振動(dòng)運(yùn)移時(shí)管道平均壓降系數(shù)隨流量增大呈降低的趨勢(shì)。

3.5 機(jī)械效率

機(jī)械效率表示總功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率。筒裝料管道水力輸送中總功為流體繞流管道車的局部總能耗，機(jī)械能為管道車的動(dòng)能。管道車機(jī)械效率定義為管道車動(dòng)能與管道流體繞流管道車的局部總能耗之間的比值。圖10為管道車機(jī)械效率與直徑比的變化曲線。圖中管道車機(jī)械效率為模擬值。

據(jù)圖10可得：①隨著管道車直徑比增加，管道車機(jī)械效率呈先增大后減小，且直徑比0.75的管道車機(jī)械效率最高；②當(dāng)管道車直徑比小于0.75時(shí)，機(jī)械效率隨管道流量的增加逐漸增大。當(dāng)管道車直徑比大于0.75時(shí)，機(jī)械效率卻隨管道流量的增加逐漸降低。

圖10 管道車機(jī)械效率與直徑比的變化曲線Fig.10 Variation curve between mechanical efficiency and diameter ratio for a pipeline vehicle

4 結(jié) 論

主要結(jié)論如下：

(1) 模擬值與試驗(yàn)值一致，且最大相對(duì)誤差不超過5.36%，表明利用流固耦合數(shù)值模擬分析管道車在平直管道振動(dòng)運(yùn)移水力特性是可行的。

(2) 管道車在平直管道內(nèi)平動(dòng)速度在微小范圍呈不規(guī)則波動(dòng)，可將管道車運(yùn)動(dòng)視為振動(dòng)運(yùn)移。

(3) 管道車沿管道向下游振動(dòng)運(yùn)移時(shí)，管道車近壁面流場(chǎng)軸向流速分布一致，而壓強(qiáng)分布卻呈降低的趨勢(shì)。隨著管道車直徑比增加，管道平均壓降系數(shù)呈先減小后增大，而管道車機(jī)械效率呈先增大后減小。直徑比為0.75的管道車在平直管道內(nèi)振動(dòng)運(yùn)移時(shí)引起的管道平均壓降系數(shù)最小，而其機(jī)械效率卻處于最大。