李永業(yè)，張奇?zhèn)?，宋曉騰，魯一凡，楊小妮，孫西歡，張雪蘭，龐雅琦

導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)囊體間斷面螺旋流流速特性的影響

李永業(yè)，張奇?zhèn)?，宋曉騰，魯一凡，楊小妮，孫西歡，張雪蘭，龐雅琦

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

為研究囊體表面的導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)囊體管道水力輸送特性的影響，該研究以導(dǎo)葉長(zhǎng)度為控制變量，通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)囊體間斷面的螺旋流流速特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度下囊體間各斷面的軸向流速分布基本相同，從軸心處沿徑向呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，且隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的不斷增長(zhǎng)，囊體間各斷面軸向流速的波動(dòng)減小，軸向流速分布更加均勻。不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度下囊體間沿程各斷面的周向流速梯度均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，而周向速度最大值和最小值均出現(xiàn)在靠近上游囊體的區(qū)域，且周向流速隨導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加而增大，最大值能達(dá)到1.2 m/s。不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度下，靠近上游囊體區(qū)域的徑向流速梯度最大，而囊體間中部斷面的徑向流速梯度較小，且隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，同一斷面的徑向流速分布逐漸趨于均勻。不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度下，同一測(cè)環(huán)上的軸向、周向和徑向流速均呈現(xiàn)波浪狀分布，其分別在–1.2～3.5、–0.6～1.2和–1.6～1.2 m/s之間波動(dòng)。且受囊體支腳的影響，軸向、周向以及徑向流速值在測(cè)軸為60°、180°、300°位置處均出現(xiàn)極值。該研究成果可為囊體管道水力輸送的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

流場(chǎng)；試驗(yàn)；管道；水力輸送；囊體；導(dǎo)葉長(zhǎng)度；螺旋流；流速特性

0 引 言

目前，農(nóng)產(chǎn)品物流主要依賴(lài)于公路、鐵路等傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式[1-3]。傳統(tǒng)運(yùn)輸方式在滿(mǎn)足人們生產(chǎn)生活需要時(shí)，也暴露出各種各樣的缺點(diǎn)，例如化石燃料燃燒不完全造成的能量浪費(fèi)以及環(huán)境污染，故提出新型農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸方式—囊體管道水力輸送。該運(yùn)輸方式主要是將農(nóng)用物資放置于囊體內(nèi)部，通過(guò)投放裝置投放于有壓管道內(nèi)，依靠水流推動(dòng)囊體運(yùn)動(dòng)，沿固定管路將農(nóng)用物資輸送到目的地的以實(shí)現(xiàn)農(nóng)用物資的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸送[4-6]。它是一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的新型管道水力輸送技術(shù)。

囊體管道水力輸送技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，也已經(jīng)取得了一定研究成果。Kollár等[7]建立了生命周期成本分析模型，用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)殷w尺寸對(duì)輸送管道壽命的影響程度。Agarwal等[8]研究了囊體形狀對(duì)囊體運(yùn)行速度的影響，研究發(fā)現(xiàn)囊體直徑和管道直徑比對(duì)囊體運(yùn)行速度起主導(dǎo)作用。Asim等[9]對(duì)不同形狀囊體的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了研究，建立了膠囊摩擦因數(shù)和損失系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。Ulusarslan等[10-11]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)不同直徑比下的囊體運(yùn)動(dòng)和管內(nèi)壓力梯度變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著直徑比的增大囊體的運(yùn)移速度也逐漸增大。張春晉等[12-13]就流固耦合作用下的囊體管道水力輸送內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，分析了囊體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，囊體周?chē)沫h(huán)隙流場(chǎng)隨囊體徑長(zhǎng)比的變化關(guān)系。Li等[14]對(duì)囊體表面安裝不同導(dǎo)葉安放數(shù)量下的管道內(nèi)螺旋流流速特性進(jìn)行了研究，探討了螺旋流的流速特性與導(dǎo)葉數(shù)量的關(guān)系。

由于在囊體表面安裝有導(dǎo)葉，水流在推動(dòng)囊體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生螺旋流。螺旋流除了具有沿管軸線(xiàn)的軸向流速外，還有繞圓心的周向流速和沿半徑方向的徑向流速。鑒于螺旋流三維流速分布的復(fù)雜性以及實(shí)用性，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)螺旋流展開(kāi)了大量的研究。Zohir等[15]利用旋流發(fā)生器在管內(nèi)形成螺旋流，并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)突擴(kuò)管中的螺旋流熱交換特性和壓降特性進(jìn)行了研究。Itos等[16]通過(guò)對(duì)不同雷諾數(shù)下的管道內(nèi)螺旋流特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)徑向流速要遠(yuǎn)小于軸向和切向流速。Cavazzuti等[17]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)環(huán)形管中漩渦流的衰減速率進(jìn)行了研究，給出了一個(gè)精度合理的漩渦流衰減預(yù)測(cè)公式。Zhang等[18-19]對(duì)不同縫隙寬度和不同雷諾數(shù)下的同心環(huán)狀縫隙螺旋流三維流速特性進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明環(huán)狀縫隙寬度與三向流速的大小呈負(fù)相關(guān)，雷諾數(shù)與三向流速的大小呈正相關(guān)。王樹(shù)立等[20-21]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)氣液兩相螺旋流的流型和壓降規(guī)律進(jìn)行了研究，將出現(xiàn)的流型歸納為螺旋彌散流、螺旋泡狀流以及螺旋波狀分層流三種，并發(fā)現(xiàn)流型對(duì)壓降影響顯著。Aydin等[22]設(shè)計(jì)了一種新型起旋器，并研究了起旋器參數(shù)變化對(duì)旋流換熱和壓降的影響。常凱等[23]對(duì)圓管內(nèi)螺旋扭帶產(chǎn)生的螺旋流水流特性進(jìn)行模擬分析，并對(duì)螺旋流的流場(chǎng)特性、渦量以及漩渦分布進(jìn)行了研究。

綜上所述，隨著研究的不斷深入，多囊體螺旋流輸送必會(huì)成為今后研究的重點(diǎn)[24]。而當(dāng)水流流過(guò)多囊體時(shí)會(huì)經(jīng)歷斷面的驟增、驟減變化同時(shí)加之導(dǎo)葉對(duì)水流狀態(tài)的擾動(dòng)，其間螺旋流的存在會(huì)直接影響囊體的運(yùn)動(dòng)和能耗。囊體表面的導(dǎo)葉參數(shù)的變化會(huì)直接影響囊體之間螺旋流的強(qiáng)度及流速結(jié)構(gòu)，先前已對(duì)導(dǎo)葉安放角對(duì)螺旋流特性的影響進(jìn)行了研究，并確定了最佳安放角的取值范圍[25]，基于此成果進(jìn)行導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)螺旋流特性影響的后續(xù)研究，就囊體間斷面的螺旋流流速特性改進(jìn)分析方法進(jìn)行多組分、多尺度的分析。通過(guò)控制囊體表面的導(dǎo)葉長(zhǎng)度，來(lái)對(duì)比分析兩囊體之間的螺旋流流速分布，擬為進(jìn)一步研究囊體管道水力輸送的輸送能耗提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)裝置、囊體投放與回收裝置、試驗(yàn)管道、測(cè)試儀器4部分組成[25]。其中調(diào)節(jié)裝置由離心泵、電磁流量計(jì)組成；循環(huán)試驗(yàn)管道為通過(guò)法蘭連接的有機(jī)玻璃空心圓管，內(nèi)徑為100 mm，壁厚為5 mm；流速測(cè)量?jī)x器為粒子圖像測(cè)速儀，測(cè)量時(shí)為了減少管道壁面對(duì)激光的折射，在管道外壁加裝了矩形水箱。在水箱中裝滿(mǎn)水，從而降低了激光折射問(wèn)題，提高測(cè)量的精度。試驗(yàn)時(shí)，先由離心泵將鋼水箱中的水抽入管道內(nèi)，然后將囊體從投放裝置放入試驗(yàn)管道，并通過(guò)制動(dòng)裝置將囊體固定，通過(guò)閘閥調(diào)節(jié)流量到試驗(yàn)所需流量，流量采用電磁流量計(jì)來(lái)計(jì)量，待流量穩(wěn)定后，解除制動(dòng)裝置，釋放囊體，并在測(cè)試管段采用粒子圖像測(cè)速儀對(duì)囊體之間斷面的水流的流速進(jìn)行量測(cè)，最后囊體從管道出口進(jìn)入囊體接收裝置，而水則流入鋼水箱形成一個(gè)閉合的循環(huán)回路。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.2 囊體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)研究的囊體由導(dǎo)葉、支腳和料筒組合而成，支腳通過(guò)螺紋與料筒結(jié)合在一起，然后導(dǎo)葉粘接于料筒之上。料筒由亞克力有機(jī)玻璃制成，料筒的徑長(zhǎng)比（料筒的長(zhǎng)度與直徑的比值）為0.47，料筒的厚度為5 mm；金屬支腳通過(guò)定位螺絲固定于料筒蓋上（3個(gè)支腳關(guān)于圓心120°對(duì)稱(chēng)分布），通過(guò)螺紋與料筒合為一體；導(dǎo)葉也為亞克力制品，熱加工后用模具定型。安裝導(dǎo)葉時(shí)，將其和支腳錯(cuò)開(kāi)，并按120°等間隔角布置。囊體模型示意圖如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本文主要研究導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)囊體間斷面螺旋流流速特性的影響，故以導(dǎo)葉長(zhǎng)度為主要控制變量，選取4種導(dǎo)葉長(zhǎng)度，分別為：0.25、0.5、0.75、。導(dǎo)葉其他參數(shù)分別為：安放角度=15°，寬度=10 mm，厚度3 mm，個(gè)數(shù)3。其中安放角度指導(dǎo)葉安裝時(shí)進(jìn)水端的切線(xiàn)要平行于水流方向，出水端末端的切線(xiàn)與水流方向之間形成的銳角。試驗(yàn)所選流量=40 m3/h，水流為湍流。

1.4 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)時(shí)，每次使用導(dǎo)葉長(zhǎng)度相同的兩個(gè)囊體進(jìn)行測(cè)量，囊體之間相距150 mm，試驗(yàn)時(shí)為保證囊體間距不變，使用直徑為3 mm的硬質(zhì)彈簧（不會(huì)拉伸和收縮）對(duì)兩囊體進(jìn)行連接。同時(shí)為了保證囊體運(yùn)動(dòng)的位置不變，除在管道測(cè)試段外，管道內(nèi)部其余部分都設(shè)有滑道，管道車(chē)支腳沿滑道在管道內(nèi)運(yùn)行，不會(huì)在運(yùn)行途中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在兩囊體間共設(shè)置3個(gè)測(cè)試斷面，順著水流方向布置。1#和3#兩個(gè)測(cè)試斷面與離它們較近的囊體之間的距離為3 mm，2#測(cè)試斷面位于1#和3#斷面中點(diǎn)處。試驗(yàn)開(kāi)始前，利用PIV (Particle Image Velocimetry)標(biāo)定板先進(jìn)行位置標(biāo)定，標(biāo)定板中心即坐標(biāo)原點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)便可提取距前后囊體支腳斷面3 mm處斷面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)試斷面布置如圖3所示。

測(cè)試斷面的測(cè)點(diǎn)布置采用極坐標(biāo)的布置方法，考慮斷面為圓形，從圓心向外等間距布置5個(gè)測(cè)試環(huán)帶（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)環(huán)），另順時(shí)針等間距布置12條測(cè)試極軸（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)軸）。測(cè)環(huán)以管道測(cè)試斷面的中心點(diǎn)為圓心，半徑1、2、3、4、5分別為9、18、27、36、45 mm，極軸以管道測(cè)試斷面的中心點(diǎn)為交點(diǎn)，相鄰兩條極軸之間夾角為30°。測(cè)點(diǎn)位置即測(cè)環(huán)與測(cè)軸相交點(diǎn)，外加一個(gè)測(cè)試斷面圓心，一個(gè)斷面共布置61個(gè)測(cè)點(diǎn)。3個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 車(chē)間斷面軸向流速分布

不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度條件下囊體間斷面的軸向流速分布如圖5所示。

從圖5可以看出，1）導(dǎo)葉長(zhǎng)度只影響流速大小，不影響斷面內(nèi)軸向流速分布規(guī)律。囊體間斷面軸向流速?gòu)妮S心處沿徑向呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。管道中水流流經(jīng)前囊體縫隙進(jìn)入囊體間斷面時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的突然擴(kuò)大，流線(xiàn)會(huì)急劇擴(kuò)張，同時(shí)由于囊體表面安裝有導(dǎo)葉與支腳，水流受導(dǎo)葉的導(dǎo)流作用與支腳的阻礙作用，導(dǎo)致近囊體的1#斷面軸向流速劇烈變化，流速梯度最大，并且3個(gè)測(cè)試斷面的軸向流速的最大值與最小值均出現(xiàn)在1#斷面。隨著水流流至2#斷面，受前囊體的影響逐漸減少，水流逐漸開(kāi)始重新分布，隨著螺旋流的發(fā)展，斷面流速分布趨于均勻。水流流過(guò)2#斷面后，開(kāi)始逐漸靠近后囊體，受后囊體的阻礙作用，3#斷面水流流線(xiàn)開(kāi)始收縮，并逐漸向管壁方向擴(kuò)散，使得該斷面的軸向流速波動(dòng)較大，流速分布也愈不均勻。2）隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加，同一斷面上軸向流速的波動(dòng)越來(lái)越小，軸向速度變化幅度也越小，斷面流速分布較均勻。

為了研究不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度條件下囊體間斷面軸向流速的局部分布特性，選取半徑分別為1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的測(cè)環(huán)進(jìn)行分析，具體如圖6所示。

由圖6可以看出：1）對(duì)于同一測(cè)環(huán)而言，不同測(cè)軸上測(cè)點(diǎn)的軸向流速隨測(cè)極角變化呈波浪形分布，存在規(guī)律的波峰及波谷分布。波峰位置大致對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在0°、120°、240°左右，波谷位置大致對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在60°、180°、300°左右。波谷的出現(xiàn)是因?yàn)槟殷w3個(gè)支腳對(duì)水流的阻礙，水流經(jīng)過(guò)支腳時(shí)，垂直進(jìn)入并發(fā)生繞流現(xiàn)象，考慮支腳對(duì)水流的阻力及繞流產(chǎn)生的漩渦，因此支腳對(duì)應(yīng)位置的軸向流速小于其他區(qū)域，出現(xiàn)波谷。2）對(duì)于1#斷面而言，半徑不同的各個(gè)測(cè)環(huán)上測(cè)點(diǎn)的軸向速度差值較大，而且軸向速度隨著測(cè)環(huán)半徑的增大呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。半徑為1、2、3的測(cè)環(huán)軸向流速范圍約為?1.2～1.5 m/s，半徑為4和5的測(cè)環(huán)軸向流速約為1.5～3.5 m/s。同時(shí)1#斷面上軸向流速有負(fù)值出現(xiàn)，即軸向流速逆水流方向。這主要是由于水流自環(huán)狀縫隙流出后會(huì)在1#斷面區(qū)域附近發(fā)生回流，因此使得軸向流速值為負(fù)。對(duì)于2#斷面而言，同一測(cè)環(huán)上軸向速度極大值和極小值的差值逐漸縮?。s為1.5 m/s），斷面流速分布較其他斷面更加均勻；由于2#斷面已脫離回流區(qū)域，因此該斷面上測(cè)點(diǎn)的軸向流速值基本都為正，同時(shí)2#斷面上的軸向流速所能達(dá)到的最大值要小于1#斷面（約為3.5 m/s）。但對(duì)于3#斷面而言，由于距離后囊體較近，支腳和料筒對(duì)水流的作用力導(dǎo)致3#斷面的水流流速發(fā)生了變化，流速分布變的紊亂，速度差值增大，流速梯度變大。該斷面處軸向流速值也基本為正值，均為順?biāo)鞣较?，?#斷面上測(cè)點(diǎn)的軸向流速最大值（約為2 m/s）要小于1#和2#斷面。3）在各個(gè)斷面上，半徑為1和2測(cè)環(huán)上的測(cè)點(diǎn)軸向速度隨測(cè)環(huán)角度的變化較小，說(shuō)明支腳和導(dǎo)葉對(duì)斷面中心區(qū)域影響較小。

2.2 車(chē)間斷面周向流速分布

不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度條件下囊體間斷面的周向流速分布如圖7所示。規(guī)定沿圓周切線(xiàn)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹芟蛄魉俚恼较颍貓A周切線(xiàn)順時(shí)針?lè)较驗(yàn)橹芟蛄魉俚呢?fù)方向。

由圖7可以看出：各斷面的周向流速均隨導(dǎo)葉長(zhǎng)度增加而逐漸增大。周向流速的極值均出現(xiàn)在1#斷面，并且1#斷面的周向流速等值線(xiàn)最為密集，說(shuō)明該斷面周向流速的變化梯度最大。周向速度較大的位置集中于囊體與管壁間的縫隙區(qū)域（半徑大于35 mm），在囊體對(duì)應(yīng)的區(qū)域（半徑小于35 mm）由于水流經(jīng)過(guò)前囊體進(jìn)入囊體間，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e突然增大，流線(xiàn)擴(kuò)散，在前囊體的后端面位置形成漩渦，從而導(dǎo)致周向流速出現(xiàn)負(fù)值，即周向流速沿圓周切線(xiàn)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)。相較與1#斷面，2#斷面周向流速發(fā)展更為充分，周向流速分布更加均勻，流速等值線(xiàn)比較稀疏，流速梯度較小。周向速度較大的位置也從縫隙處往管軸中心移動(dòng)，周向速度為負(fù)值的區(qū)域減少。3#斷面相較2#斷面的周向速度分布，流速梯度增大，周向流速的負(fù)值區(qū)域增多，但負(fù)值區(qū)域多與支腳位置相對(duì)應(yīng)。

為了研究不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度條件下囊體間斷面周向流速的局部分布特性，選取半徑分別為1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的測(cè)環(huán)進(jìn)行分析，具體如圖8所示。

由圖8可以看出：測(cè)環(huán)上各測(cè)點(diǎn)的周向速度沿著不同極軸角度均呈現(xiàn)波浪狀分布，在極軸[0°，30°]，[120°，150°]，[240°，270°]區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)峰值，在極軸[60°，90°]，[180°，210°]，[300°，330°]區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)峰谷。受前后囊體的影響，當(dāng)導(dǎo)葉長(zhǎng)度一定時(shí)，同一測(cè)環(huán)上周向流速波動(dòng)幅度沿程呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)導(dǎo)葉長(zhǎng)度不斷增加時(shí)，同一測(cè)試斷面周向流速的波動(dòng)范圍不斷增大，周向流速的強(qiáng)度也在逐漸增加，周向流速的極大值也由0.6m/s變?yōu)?.2 m/s。這主要是因?yàn)閷?dǎo)葉長(zhǎng)度越長(zhǎng)，導(dǎo)葉對(duì)水流的導(dǎo)向作用就越大，所形成的螺旋流的周向流速就越大，說(shuō)明導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加促進(jìn)了囊體間斷面周向流速的發(fā)展。從圖中還可以看出，當(dāng)導(dǎo)葉長(zhǎng)度為0.25時(shí)，各斷面上負(fù)的周向流速較多，但隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的不斷增加，各斷面上負(fù)的周向流速不斷減少，說(shuō)明導(dǎo)葉長(zhǎng)度的變化對(duì)周向流速的方向產(chǎn)生了一定影響。

2.3 車(chē)間斷面徑向流速分布

不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度條件下管道雙車(chē)車(chē)間斷面的徑向流速分布如圖9所示。

規(guī)定徑向流速沿管道半徑指向圓心為負(fù)，背離圓心為正。由圖9可以看出：1）相同導(dǎo)葉長(zhǎng)度情況下，受囊體結(jié)構(gòu)的影響，1#斷面的徑向流速波動(dòng)最為劇烈，變化梯度最大，2#斷面的徑向流速變化梯度最小。與1#斷面相比，2#斷面中徑向速度為負(fù)值的區(qū)域減少，徑向速度為正值的區(qū)域主要位于靠近管壁和管軸心位置，說(shuō)明水流有往管軸心方向偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。與1#斷面相比，2#斷面的速度等值線(xiàn)更為稀疏，流速梯度逐漸減小，說(shuō)明各斷面的徑向速度分布沿程逐漸趨于均勻。在3#斷面，徑向速度正值占據(jù)大部分區(qū)域，說(shuō)明斷面水流向管壁方向偏轉(zhuǎn)，這主要是因?yàn)槭苣殷wB的阻礙作用，3#斷面水流流線(xiàn)開(kāi)始向縫隙處收縮，并逐漸向管壁方向擴(kuò)散。2）隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加，同一測(cè)試斷面徑向速度的極大值與極小值的差值呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)。

為了研究不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度條件下囊體間斷面徑向流速的局部分布特性，選取半徑分別為1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的測(cè)環(huán)進(jìn)行分析，具體如圖10所示。

由圖10可以看出：1）對(duì)于同一測(cè)環(huán)而言，不同測(cè)軸上測(cè)點(diǎn)的徑向流速隨測(cè)軸角度的變化呈波浪形分布，徑向流速的最大值和最小值均出現(xiàn)在極軸60°、180°、300°的位置，這正好與支腳位置相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明支腳對(duì)徑向速度的影響較大。隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增大，同一斷面上的徑向流速波動(dòng)先降低后增高。當(dāng)導(dǎo)葉長(zhǎng)度一定時(shí)，沿水流方向徑向流速值先減小后增大，這主要是由于水流自環(huán)狀縫隙流出后，產(chǎn)生向管道中心的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此1#斷面的徑向流速值較大，隨著水流遠(yuǎn)離囊體，水流流態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，流線(xiàn)逐漸與管道軸線(xiàn)平行，徑向流速值也隨之降低，當(dāng)水流靠近后囊體時(shí)，水流產(chǎn)生向環(huán)狀縫隙運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而使得徑向流速值增大。2）徑向流速主要受支腳影響，距支腳較近的1#斷面和3#斷面，同一測(cè)軸上的徑向速度波動(dòng)較大，而2#斷面上測(cè)軸徑向速度波動(dòng)范圍相對(duì)較小。對(duì)于同一條極軸，在測(cè)環(huán)半徑在9～18和36～45 mm范圍時(shí)，徑向速度的變化幅度較小，在18～36 mm范圍變化幅度較大。3）測(cè)環(huán)半徑為45 mm處，2#斷面的徑向速度大都接近于0，而1#和3#斷面由于受囊體結(jié)構(gòu)的影響，徑向流速波動(dòng)較大，約為?1.6～1.2 m/s。

3 討 論

本文通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)葉長(zhǎng)度下囊體間斷面的螺旋流流速特性，分析了導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)囊體間斷面的螺旋流流速特性影響，適當(dāng)?shù)脑龃髮?dǎo)葉長(zhǎng)度可以獲得較大的周向流速，同時(shí)管道內(nèi)的水流流速分布也比較均勻。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，合理的導(dǎo)葉長(zhǎng)度范圍應(yīng)選擇在0.75～之間。目前囊體管道水力輸送主要針對(duì)囊體的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、囊體管道水力輸送過(guò)程中水流的水力特性以及輸送能耗進(jìn)行研究，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還有待對(duì)該輸送技術(shù)的投放與接收裝置以及中繼加壓系統(tǒng)進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

1）囊體間各斷面的軸向流速?gòu)墓艿乐行牡焦鼙诔尸F(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，并在?1.2～3.5 m/s之間變化。隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加，囊體間各斷面的軸向流速的波動(dòng)越來(lái)越小，其軸向流速分布也逐漸趨于均勻。

2）導(dǎo)葉長(zhǎng)度的變化對(duì)周向流速大小的影響最為顯著，隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加，各斷面周向流速值均逐漸增大，且周向流速的最大值和最小值均出現(xiàn)在靠近前囊體附近斷面。當(dāng)導(dǎo)葉長(zhǎng)度一定時(shí)，沿水流方向囊體間各斷面的周向流速梯度值呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，并在?0.6～1.2 m/s之間變化。

3）徑向流速在?1.6～1.2 m/s之間變化，在靠近囊體區(qū)域變化波動(dòng)相對(duì)劇烈，而在囊體間的中部位置分布相對(duì)均勻。導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)徑向流速的影響要小于周向流速，隨著導(dǎo)葉長(zhǎng)度的增加，同一測(cè)試斷面徑向速度的極大值與極小值的差值呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)。中間斷面的徑向流速分布較前后斷面更為均勻，流速梯度更小。

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Influence of guide vane length on the velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between capsules

Li Yongye, Zhang Qiwei, Song Xiaoteng, Lu Yifan, Yang Xiaoni, Sun Xihuan, Zhang Xuelan, Pang Yaqi

(,,030024,)

Hydraulic capsule pipeline refers to the new type of transportation for goods in hollow containers in low carbon and environment-friendly way, particularly for agricultural products. Specifically, the farm products were sealed in airtight containers for point-to-point transportation through fixed pipelines, where the water pressure was taken as the power. Since the guide vanes are added around the capsule body, the water flow will generate circumferential velocity. Therefore, the length of guide vanes inevitably poses a great influence on the distribution and size of circumferential velocity. In this study, experimental and theoretical analysis was used to investigate the velocity characteristics of spiral flow in the cross section of the capsule with the length of the guide vane as the control variable. The results show that the axial velocity distribution of each cross-section was all the same with different lengths of guide vane. Specifically, the fluctuation of axial velocity decreased in each section between capsules, indicating the more uniform distribution of axial velocity, with the increase in the length of the guide vane. There was no major change in the axial velocity, but positive and the same as the water flow direction, with the increase in the length of the guide vane. Furthermore, the circumferential velocity gradient along each section between capsules first decreased, and then increased with different guide vane lengths, while the maximum and minimum circumferential velocity appeared near the upstream capsule. More importantly, the length of the guide vane presented the greatest influence on the circumferential flow velocity. The circumferential flow velocity increased with the increase of guide vane length, with a maximum of up to 1.2 m/s. The value of circumferential velocity was positive or negative, indicating that the circumferential velocity was divided into two directions, clockwise and counterclockwise along the circumference. The radial velocity gradient was the largest in the area near the upstream capsule, while smaller in the middle section between capsules under different guide vane lengths. There was a gradual decrease difference between the maximum and minimum radial velocity in the same section, where the radial velocity value was more uniform, with the increase of guide vane length. Compared with the circumferential velocity, the radial velocity was less affected by the length of the guide vane, and the radial velocity was positive or negative, indicating that the radial velocity was directed to the center of the circle and away from the center of the circle. The axial, circumferential, and radial velocity distribution on the same measuring ring was wavy under different guide vane lengths, ranging from -1.2 to 3.5 m/s, -0.6 to 1.2 m/s, and -1.6 to 1.2 m/s, respectively. The axial, circumferential, and radial velocity values were at the polar angle of 60°, 180°, and 300°. The peak value appeared at all the positions. The finding can provide a strong theoretical basis for the optimal design of capsule pipeline hydraulic transportation.

flow field; experiment; pipe; hydraulic transportation; capsule; length of guide vane; spiral flow; flow velocity characteristics

李永業(yè)，張奇?zhèn)?，宋曉騰，等. 導(dǎo)葉長(zhǎng)度對(duì)囊體間斷面螺旋流流速特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(19)：48-56.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006 http://www.tcsae.org

Li Yongye, Zhang Qiwei, Song Xiaoteng, et al. Influence of guide vane length on the velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between capsules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 48-56. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006 http://www.tcsae.org

2021-06-11

2021-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179116）

李永業(yè)，博士，副教授，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械。Email：liyongye@tyut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006

S377

A

1002-6819(2021)-19-0048-09