（水力学及河流动力学专业论文）局部起旋式圆管螺旋流数值模拟与试验.pdf

太原理i 。人学颂1 ：4 位论义 局部起旋式圆管螺旋流数值模拟与试验 ，_ 一 摘要 圆管螺旋流是新近提出的一种节能、高效的输沙方式，是一 全新的课题。本文通过数值模拟与模型试验对局部起旋方式下的 ， 圆管螺旋流水力特性进行了初步研究a 供主要的研究内容如下： 】从以速度和压强为自变量的微分方程一n a v j e r - s t o k e s 方程出 发，利用有限差分法对柱坐标系下经过简化的n 。s 方程进行差 分离散，建立定常条件下的三维计算模型，运用数值计算方法 得到计算区域内的流场信息。 2 在数值计算中，采用了移动式( 即非固定式) 的交错网格差分 系统，对于所研究的圆管螺旋流数值模拟具有一定的优越性； 采用了数值求解差分方程组最常用的g a u s s s e i d e l 迭代方法， 避免进行繁复的矩阵运算，简化了整个计算过程。 3 通过物理模型试验对局部起旋式圆管螺旋流的产生方式及水力 特性进行研究，得到选定起旋器试验方案下的流场分布特性。 4 将数值模拟与物理模型的结果进行对照分析，得到局部起旋方 式圆管螺旋流的水力特性，主要结论如下：圆管螺旋流出口不 同断面的轴向速度呈类对数分布，比平直流的流速分布更均 匀，且其均匀化程度随距起旋器出口距离的增加而减小：圆管 螺旋流含起旋器管段与出口管段的周向流速沿径向几乎呈线性 分布，而且随着流量的增加，周向旋转角速度也在增加；通过 数值模拟，得到了圆管螺旋流出口断面的压强分布，靠近管轴 处的压强小而管壁附近的压强大。， 关键词：圆管螺旋流起旋器j j f u 勺、 奎望些三叁耋丝! ；兰堡垒圣 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f t h es p i r a lf l o w l o c a l l yg e n e r a t e d i nc i r c u l a r p i p e a b s t e a c t s e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o nb ys p i r a lp i p ef l o wi saf l e w w a yo fe n e r g y s a y i n ga n dh i g he f f i c i e n c y i ti san e wf ie l d o n s p i r a l f l o wa p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r ，t h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r is t i c so fs p i r a l p i p ef l o w1 0 c a l l yg e n e r a t e dw e r e p r e i m i n a t i1 yi n v e s t i g a t e db ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf 0 11 0 w s 1 o nt h eb a s i so fn a v i e r s t o k e s e q u a t i o n ，t h e f i n it e d if f e r e n c em e t h o dw a s a p p li e d t od i s c r e t i z a t et h e s i m p li f i e dn se q u a t i o no nc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t es y s t e m t h e n ，3 - dm o d e lw i t hs t e a d yc o n d i t i o n w a sf o u n d e d f i n a ll y ， t h ei n f o r m a t i o no ff l o wf i e l dw a so b t a i n e db yu s i n gt h e n u m e r i c a lm e t h o d 2 m o v i n g a n d a l t e r n a t i n g d i f f e r e n c em e t h o dw a su s e din n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hh a sa d v a n t a g ei nr e s e a r c h i n g t h e p r o b l e m o ft h e s p i r a l f l o wi nc i r c u l a r p i p e t h e o r d i n a r yi t e r a t i v em e t h o do fg a u s s s e i d e lw a si n d u c e dt o a v o i d c o m p l i c a t e dm a t r i xc o m p u t a t i o n ，t h u ss i m p l i f y i n g t h ew h o1ec o m p u t a tio np r o c e s s 3 t h e g e n e r a t i n gw a y s a n d h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t ic so f s p ir a lp i p e f l o ww e r e r e s e a r c h e d ，a n d d i s t r i b u ti o n 奎堡些! ；耋丝! 兰篁堕塞 c h a r a c t e r is t ic s ( j f f j o w f l ie l di n s e e q t e d s c h e m e s o f s p i r a lf l o w g e n e r a t m - - g e n e r a t i n g s p i r a l f l o wl o c a l ly w e r ea c q u i r e d 4 b yc o n t r a s t i n g t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t h e x p e r i m e n t a l d a t a ，t h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r is t ic so f s p ir a lp i p ef l o wg e n e r a t e d1 0 c a l l yw e r ea n a l y z e d t h e m a in c o n c l u s i o n sa r ea s f o ll o w s t h ec r o s s s e c t i o n a x i a l v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n to u t l e to f t h es p i r a l f l o wg e n e r a t o risal o g a r i t h m l i k ef u n c t i o n i ti sm o r e u n i f o r mt h a nt h a to fs t r a i g h tp i p ef l o w ，a n di t su n i f o r m i t y r e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t a n c eb e t w e e ni n i t i a la n d s t u d i e do u t l e t t h ec ir e u m f e r e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n o ft h ec r o s s s e c t i o nint h ew h o l ep i p eo fs p i r a l f l o wi s b a s i c a l l y al i n e a rf u n c t i o n a n d i t sc r o s s s e c t i o n r o t a t i o n a la n g u l a rv e l o c i t yg r o w sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e d is c h a r g e u s i n gt h e n u m e r i c a lm e t h o d ，t h e o u t l e t c r o s s s e c t i o n p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nw a sa c q u i r e d t h e n e a r e rt ot h ep ip ew a l1 ，t h el a r g e rt h ep r e s s u r ev a l u eis ： t h en e a r e rt ot h ep i p ec e n t e r ，t h es m a l l e tt h ep r e s s u r e v a l u ei s k e yw o r d s ：c ir c u l a r p i p e s p ir a l f l o w s p ir a l f 1 0 wg e n er a t o r s a 埭垲1 人学坝i 。学位沦艾 1 引言 1 1 课题研究的背景 水库泥沙的淤积问题，已成为全球性和普遍性的问题，倍受 关注。而建在多沙河流上的水库，此问题显得尤为突出。据资料 报道，全国水库的总淤积量己占总库容的2 0 ；而地处黄土高原的 山西、内蒙、陕西三省区，总淤积量均超过总库容的3 3 。其中山 西省汾河水库( 7 2 亿m 3 ) 已淤积过半，且正以1 0 m m3 a 。的淤 积速率增加，如再不采取措旆，则2 0 3 0 年后，水库将淤满而成 为迳流式河槽。南方河流含沙量虽低，但径流量大，泥沙总量相 当多，随着水库运用时间的增长，水库淤积问题也日益严重。 水库的泥沙淤积不仅降低水库的综合效益，更重要的是连续 几年的淤积，就意味着水库有效库容随时间的推移减少，其调节 水量的能力也随之减少，情况严重，还会发生工程事故。所以， 水库淤积的过程，就是水库功能蜕化的过程，直接影响着工农业 的发展，威胁着人民生命财产的安全。 六十年代初，我国的科学工作者就开始对此进行不懈的研 究，从上下库或库坝联合运用，以及清洪分治等办法，到保持一 定的有效库容的排淤技术，缓解了水库蓄水与排淤的矛盾。就水 库防治措施“、2 1 而言，总体上可分为三大类：减少入库泥沙，排 浑减淤及排淤。减少入库泥沙措施包括水土保持措施，清洪分治 及库坝联合运用；排浑减淤措施包括异重流排沙，滞洪排沙和浑 水水库排沙：排淤措麓包括空库排淤、横向冲蚀和机械排淤。但 考虑到水库兴利、灌溉等效益的发挥，对那些受地形条件或库水 位限制的水库及水资源特别紧张，无水排沙的地区，上述多数措 太缘理 i 人学坝1 ：学位论义 施并不适用，而要借助机械清淤。机械清淤措施具有机动性好， 不受季节、地域限制，维修方便，排沙浓度高等优点，且其中的 虹吸法、气力泵清淤法、旋流吸泥法等排出浑水含沙量可达 2 0 0 9 0 0 k g m 3 。机械清淤由于自身的优越性越来越受到重视， 因此，对其机械部件的研究也逐渐深入并明朗化。 1 2 课题的确立 机械清淤的输沙管道中同样存在着淤积问题，直接影响着 管道输送效率及能耗的大小。传流的管道输沙往往采用直流式 ( 相对螺旋流而言) ，其中悬移质的悬浮机理o “5 1 是水流的紊 动扩散。水流中的沙粒一方面在重力作用下作沉降运动，另一方 面又在垂向的脉动流速作用下进行上、下紊动交换，即紊动扩 散，从而使泥沙得以在水流中浮游前进，实现远距离输送。由于 断面输沙率与平均流速的2 4 次方成正比，为了提高管道输沙效 率，并防止泥沙在管内淤积，往往采用高流速输送，以提高水流 的紊动动能，这样却大大增加了沿程水头损失，耗费能量；但若 采用低流速输送，虽节省能量，却不可避免会造成管内淤积，降 低输送效率。总之，无论采用高流速或低流速，都无法克服高浓 度与低能耗之间的矛盾，最终均会导致低效率。要解决此问题， 必须寻求新的悬移固粒的机理与方法。 新近，太原理工大学水利系提出了圆管螺旋流输沙1 的新 方法，并进行了大量的物理模型试验。圆管螺旋流是通过在管道 内壁局部加设导叶( 起旋器) 或沿程加设导流条，使管内水流产 生螺旋流，带动淤在管底以及将沉而未沉的泥沙，随着水流不断 向前运动，从而减少管道的输送阻力和提高输送浓度。从运动机 太胤埋1 _ 人学坝卜学位论文 理分析，圆管螺旋流可分解为对固粒起旋浮作用的强制涡流与剥 固粒起输移作用的轴向直流。借助强制涡流沿管道周向“托抬”泥 沙，使本来以推移质形式运动的泥沙较为容易地转变为悬移质， 而完全不同于直流是依靠主流速度，即依靠水流的紊动作用使泥 沙悬浮。由于强制涡流是单向的拖曳作用，故只要保证一定的切 向分速，就可使泥沙不再下沉成为推移质。这样，采用圆管螺旋 流输沙这一全新的输沙方式，可大大降低管内流速，解决管道泥 沙的输送与淤积问题，并使工程上的高浓度、低能耗输送颗粒成 为可能，对于管道朝着安全型、节能型的方向发展具有重要的意 义。另外，管道螺旋流还可用来输送煤、水泥、纸浆、污水及其 它各种化工原料，在工农业生产中将得到更为广泛的应用。 在运用管道螺旋流输移固粒的过程中，影响输移效果的因 素较多，而其中的流速分布是最主要的因素。在螺旋流状态下， 当管内切向速度的最大值大于输送固粒沉速的某一倍数时，固粒 被“抬托”而“旋浮”，当水平管内切向速度与轴向速度分布合 理时，输送效率才能达到最佳。为此，研究水平管内断面流速分 布及其影响因素具有理论和实践意义，目前主要通过物理模型试 验进行研究，而此方面的数值模拟开展得很少。针对以上问题， 本文利用数值计算方法研究水平管内装设有局部起旋器的螺旋流 运动，目的在于获得圆管内的流场信息( 包括流速场和压力 场) ，从而为进一步研究圆管螺旋流下的工程应用及提高起旋器 效率提供必要的理论依据。 1 3 螺旋流应用的发展概况 螺旋流可分解成轴向流动与涡流，是涡线与流线重合的一种 太原埋r 人学坝i 学位论义 特殊流动。1 1 1 涡旋运动理论中的汤姆生( w t h o m s o n ) 定理和斯 托克斯( g g s t o k e s ) 定理可知，在理想流体中速度坏量和旋 涡都是不能自行产生，也不能自行消灭的。但实际流体一水是有 粘性的，完全可以通过对水体旖加某种无势力，产生速度环量， 并利用粘性流体旋涡的扩散性形成涡强均的螺旋流。目前螺旋 流在工农业等各个领域中都得到了广泛应用。 螺旋流在分离技术中的应用最为广泛。如水力旋流器早在 1 8 9 1 年就获得了专利，二次世界大战后得到了广泛的应用。其主 要用来对两种或两种以上的物质进行分离，其基本原理是两种物 质从进口管的切线方向进入旋流器，在圆筒体内产生旋转运动， 并由周边向水力旋流器中心移动，形成强烈的旋涡运动，沿圆筒 向下旋流。在圆锥体内，比重大的物质受离心力作用向筒壁分 离，由底端的沉砂口排出，而比重小的物质反向运动形成另一上 升的螺旋流，由顶端的溢流管排出，从而达到分离的目的。近年 来，科学工作者通过流场测定法及数值模拟法对水力旋流器进行 了大量研究。新近，徐继润和罗茜 8 3 对水力旋流器的流场理论进 行了晟新论述。胡正瑗怕3 对水力旋流器中颗粒的运动状况进行了 全面分析，并给出了可除去的最小颗粒粒径以及除砂率的估算办 法。水力旋流器已在分离领域得到了广泛应用，不仅用于固一液 分离，还应用于固固分离，液一液分离及气一液分离等。除此之 外，目前工业上广泛应用的重介质水力旋流器及旋风除尘器等都 是非常有前途的分选、脱水及除尘设备。 在水力机械方面，水轮机的转轮流场、水泵的叶轮流场及 锥形泵入口流场等均属于螺旋流。在实际应用中，水轮机及离心 太原理i 人学坝j 。学位论文5 泵的过流部件都存在着严重的磨损，严重影响设备的正常运行和 安全生产。从影响设备磨损的因素分析，掌握设备内部的旋转流 场及沙粒在过流通道内的运动规律对研究设备的泥沙破坏规律起 着重要的作用。目前，这方面的试验研究和数值模拟开展得较 多。阎庆绂“、马素霞1 对离心泵入口的旋流进行了试验研究， 以探讨提高泵效率的途径。陈红生等“”研究了固液两相流离心泵 的磨损机理，提出了叶轮的优化设计方案。刘小兵、程良骏、刘 佑华“、“1 建立了水力机械中固液两相流的基本方程组，并对 水涡轮机械中沙粒的运动进行了数值模拟。 螺旋流在排沙方面的应用，在国外早有论述。1 9 3 3 年巴歇 尔首先论述了涡管排沙措施。尔后，罗宾逊、阿麦德等人分别对 涡管排沙进行了试验研究。这种排沙涡管是一顶部开口的管道， 置于渠底，其轴线与水流方向有一夹角。当水流从顶部开口进入 涡管时，入管水流将在绕轴线的动量矩作用下，发生旋转，与沿 轴线水流运动合成螺旋流运动。此时，进入管内的泥沙被卷扬， 随水一同作螺旋流运动，直至排出管外。涡管排沙技术是一种处 理渠系泥沙的有效措施，在工程实践中已得到推广应用。自从5 0 年代首先在印度应用于工程实际以来，国内许多学者在实验室及 实际工程上进行t n 试研究和理论探讨。六十年代末，日本把这 种排沙措施应用于尼川枢纽渠首段和沉沙池末端，并进行了原型 观测，表明运行效果良好。八十年代以来，张开泉和刘焕芳“印开 始从事螺旋流排沙的研究，特别致力于涡管螺旋流排沙的研究， 并且从分水比、截沙率、挟沙力、涡管的水流结构、排沙机理及 应用条件等方面进行了试验研究。周著、吴持恭、唐毅“7 、”1 针对 太垛删i 大学坝j j 学位沦义一6 水利枢纽首部排沙问题提出漏斗排沙，且通过调整漏斗结构，使 漏斗内形成强螺旋流，涡流强度和稳定性增强，泥沙排出率大于 9 0 。谭冬初“叭之后又对螺旋流排沙漏斗进行了全面的水力分析 计算。彭龙生教授研究的旋流吸泥头( 获得了国家发明专利， 8 5 1 0 7 7 7 1 4 ，1 9 8 9 年) ，它依靠水库自身水头，利用压力水体， 通过设置人工的边界条件可使水的势能转换成动能，产生高流速 低压力的下切面，从而冲刷淤泥，形成均匀的水沙两相流，达到 排淤的目的。 从节省能耗的角度出发，产生环量的一个简便方法是绕流 叶型。当流体绕流不对称叶型或以正冲角绕流对称叶型时，均能 获得升力或环量。于是，可以在管内设置起旋器，使沿半径均匀 分布的轴向流动顺切线方向扭动个方向角，产生个转动的分 速度，进而形成管道螺旋流。将管道螺旋流应用于管道液固两相 流的输送中，可以起到提高浓度，防止淤积，减少能耗的作用。 因此螺旋流管道输沙成为螺旋流应用的一个新方向。新近，彭龙 生，孙西欢等人口“3 “、3 2 、3 3 、“、3 “通过大量的物理模型试验，对 水平轴圆管螺旋流的水力特性、固粒悬浮机理、固粒的轨迹与分 布、输沙能耗及模型相似律等方面进行了初步研究，取得了些 成果，但有关方面还需进一步研究，以达到应用成果水平。 1 4 本文的研究内容及方法 本文主要通过数值模拟与模型试验来研究局部起旋方式下水 平轴圆管螺旋流的产生方式及其水力特性。 1 从以速度和压强为自变量的微分方程一n a v i e r s t o k e s 方程 出发，利用有限差分法对柱坐标系下经过简化的n s 方程进行 奎堡些! ：叁兰丝! 耋堡堕塞二三二 差分离散，建正定常条件下的j 三维汁算模型，使用标准 f o r t r a n 算法语言编写程序，得到计算区域内的流场信息。 2 通过物理模型试验对圆管螺旋流的局部起旋方式进行研 究，得到不同起旋器试验方案下的流场分布特性。 3 将数值模拟与物理模型试验的结果进行比较，得到局部起旋方 式下的圆管螺旋流水力特性分布规律。 奎望堡! ；查兰堡耋兰堡篁塞 ；! ： 2 圆管螺旋流的基本特性及其起旋方式与装置 2 1 圆管螺旋流的基本特性 降低管道流速与水流挟带固粒的能力是密切相关的。既要低 流速，又要高浓度，这在传统的直流式输移方式中是相互矛盾 的，故不可能实现。因此首先应考虑把输送与悬浮这两种作用分 丌，在这两种作用中，悬浮是第一位的，只要能有效地悬浮，则 输送就很容易实现。螺旋流输送方式就是用轴向流承担输移任 务，而涡流单独承担悬浮作用，从而使重载而缓行的输移方式成 为可能。 2 1 1 圆管螺旋流的运动学特性 圆管螺旋流的流速可以分解为轴向流速与切向( 或称周向) 流 速，即轴向平直流与强制涡流的合成。就其对输送固粒的作用而 言，前者起轴向输移作用；而后者对固粒起“旋浮”作用，使水 流质点在管内旋转，其时均流速对固粒下沉有一个抬托作用，使 管底欲沉固粒又返回到主流中。这样就将固粒的悬浮与输移从运 动机理上分丌，消除了平直流输送中所存在的问题一固粒悬浮对 输移流速具有依赖性，这对降低管道输移流速是有积极作用的。 由于圆管螺旋流可分解为平直流与强制涡流，由此可知，其压力 场和流速场将不同于平直流。对于水流而言，因其粘滞性作用， 强制涡流在轴向输移过程中，若没有起旋装置，最终会由圆管螺 旋流衰变为平直流。 2 1 2 圆管螺旋流形成的动力特性 圆管内凸l 于装设导叶而产生的螺旋流属于一种绕流运动，因 此作用存导叶卜的力也可分为升力( 旋转力) 和阻力。 奎堡些三查兰堡圭兰堡篁苎；! ： 产生螺旋流的能量是由水的入流动能提供的，不需输入其它 能源，它象机翼产生升力一样产生旋转力，只是改变成一个扭曲 机翼( 类似于螺旋桨机翼) ，而且是一个不动叶栅的绕流。流体通 过导叶时呈螺旋线前进，而不象一般机翼那样作直线运动。流体 通过导叶时，增加了切向流速，压能减小，而动能增加，同时也 产生了流体与导叶的沿程摩阻损失( 或导叶的导流损失) 。根据作 用力与反作用力的关系，流体通过导叶时，导叶对流体也产生力 的作用，称为旋转力( 升力) 和阻力，二者的合作用产生了螺旋 流。 2 2 圆管螺旋流的起旋方式 要将圆管平直流有效地转变成螺旋流，则必须改变圆管水 流的边界，使轴向流动顺切线方向扭转一个方向角，产生一个转 动的周向分速度，从而形成有利于固粒输送的水流条件。改变圆 管水流运动边界而形成圆管螺旋流的方式称为起旋方式。按边界 改变的位置，起旋方式可分为两类：一类为局部起旋，另一类为 沿程起旋。 局部起旋方式是通过局部改变圆管水流边界条件而产生圆 管螺旋流，即在局部管段内壁加设具有一定安放角的n 个固定导 叶( 如图2 1 所示) 。当水流通过该管段时，由于导叶的存在， 使水流不仅沿轴向向前运动，而且产生周向运动，二者的合运动 便形成了圆管螺旋流。对于有导叶存在的管段，因其结构上和功 能上具有独立性，因而称为圆管螺旋流起旋器。局部起旋方式的 优点在于起旋器便于加工，在管路中便于安装联结及维修较为方 便，因此在生产实践中便于推广应用。其缺点则是起旋器后的管 奎塞些! 尘兰堡! ! i 兰丝篁塞：! ! ： 路中周向水流运动速度由于摩阻而沿程衰减，因而需根据周向水 流运动的衰减特性和输送固粒的特性分段安装起旋器。 圈2 1 局部起旋方式示意图 l 一圆管螺旋流起旋器2 一管路3 一导叶 沿程起旋方式是通过在输送管路中加设一条具有一定安放 角的导流条而产生圆管螺旋流( 如图22 所示) 。导流条在管路 中是沿程连续加设，从周向水流运动的起旋来看属沿程起旋。在 圆管水力输送中，粗颗粒易于沉积管底，如果导流条以一定的安 放角连续加设，则导流条将通过管道底部，从而使粗颗粒的管底 运动受到更大阻力，因而导流条宜加设于管断面的上部分，这样 导流条在管路中便成为沿程分段连续。局部起旋条件下，圆管螺 旋流的周向速度是沿程衰减的，所以需在管路中的某一位置采用 起旋器再次起旋。而沿程起旋则是通过分段连续的导流条沿程连 续起旋，周向水流运动不衰减，这是其有别于局部起旋的一个重 要特点。但沿程起旋需在圆管内壁连续焊接导流条，因而管道加 太原理工人学硕士学位论文 工复杂且工作量大，尤其对于管径较小的管道，其加工难度将会 更大一些。 二全i 图2 2 沿程起旋方式示意图 l 一管路2 一连续导叶3 一导叶分段处 上述两种起旋方式，究竟哪一种的起旋效果更佳，更易在 工程上推广应用，目前尚无定论。因该项研究尚属起步阶段，本 文则仅限于对局部起旋方式进行研究。 2 3 起旋装置 2 3 1 起旋器的概念 为使沿半径均匀分布的轴向流动顺切线方向扭转一个方向 角，产生一个转动的周向分速度，最简便的方法是在管内设置起 旋器。起旋器是由若干片导流叶片组成的导水机构，它能将圆管 平直流有效地转变成螺旋流。水流由平直流进入起旋器后，由于 导叶的存在，水流便在轴向流动的同时，产生了周向流动。周向 流动首先产生于管壁附近的导叶区，而后在水流的粘滞性作用 太原理工大学硕上学位论文1 2 下，由导叶区沿径向产生周向的剪切传递，从而使无导叶区的水 流也产生了周向流动。所以，起旋器内及其出口段的周向流动是 一个由管壁向管轴充分发展剪切的过程。 2 3 2 起旋器的构造 起旋器为管问装置，其内径应与管路直径相同。起旋器管段 内壁吲定有n 个导叶，其长边与管壁固定相连，短边垂直于固定 点处的管壁切线，即短边是沿径向指向管道轴线，而短边的长度 即为导叶的高度。定义导叶切线方向与管轴的央角为导叶的安放 角：而导叶前缘( 入流端) 和后缘( 出流端) 之间的夹角，称为 导叶包角。为了使水流通过起旋器时能产生较好的周向运动，起 旋器内一般设置n ( n 2 ) 个导叶，n 个导叶在安装时以等弧长 或等圆心角固定于管壁上，起旋器的构造如图23 所示。 2 3 3 起旋器的结构参数 起旋器的结构参数主 要有：起旋器的长度、导叶 的厚度、导叶的个数、导叶 的高度及导叶的包角。起旋 器的结构参数将对水流的运 动，尤其周向运动有较大的 影响，因此不同的起旋器结 构参数将会产生不同特性的 圆管螺旋流。产生螺旋流的导 卜丛一 图2 - 3 起旋器断面结构示意图 叶，既类似于机翼，又不完全h 一导叶高度n 一导1 包角日导叶固定等分角b = 2 n n 柑同，所以为了寻求最佳的导n 宁 j 个数d 起旋器内舱卜管壁2 刊j 太原理t 人学倾i 学位论文 叶形状，即确定最恰当的结构参数，只能定性地参考有关机翼理 论及叶栅理论，主要靠试验研究和数值模拟来进行对比取舍。 起旋器的长度对水流通过起旋器时的阻力损失有较大影 响。冈起旋器内导叶有一定的安放角，水流通过起旋器时才会改 变运动方向。但在安放角定的情况下，如果起旋器长度过小， 则会引起起旋器内的水流流动方向发生急剧变化，水流绕导叶流 动时因出现脱流现象而增大能耗：如果长度过大，则会加大起旋 器制作及安装的难度。因此起旋器应有一合适的长度。 文献 4 5 表明：其它条件相同而厚度不同的翼型升力系数 c 。阻力系数c ，关系曲线如图2 4 所示。由图2 4 可看出： 较厚的翼型c ，c ，关系曲线变得较为平坦，升力系数与阻力系数 成正比关系；而较薄的翼型则有一个阻力最小的极值点c ，而且 该点也证是流体流速方向与翼型所成角度为零的点，这对低速平 板翼型很重要，尤其是我们所讨论的螺旋流导叶。理想的翼型是 能使其表面的流动不产生旋涡及与翼体表面的分离，顺着翼体流 动，这种流动称为贴体流动。螺旋流导叶可视为一种特殊的翼 型，制造的导叶应使其流动为贴体流动，不产生旋涡，且由它所 a 较漕裂掣 。r b较厚翼犁。， 吲2 - 4 厚度对翼型动力性能的影响 太腺理工大学帧卜学位论文一1 4 一 产生的起旋效率n 应尽可能的大。文献 4 5 证明，如果忽略翼型 厚度而把翼型当作薄板来处理，则薄板的绕流足特别有成效的， 流体流过薄板时就是贴体流动。所以，制作的导叶应尽可能薄， 但考虑到制作及安装等因素，采用厚为5 m m 的有机玻璃板为宜。 导叶的个数对水流的能耗及周向运动有重要的影响。初期 设置的起旋器由于导叶个数少，导叶背面易产生脱离，形成涡 流，从而增加了水头损失；但是当导叶个数过多时，会引起起旋 器有效过流面积减小，流速增大而引起另外的水流能量损失。合 理选取一定的导叶数不仅可以降低能耗，而且会使水流的周向运 动更充分。 导叶的高度对螺旋流运动的旋转强度有直接的影响。二维 圆管紊流流动，其断面流速分布呈对数型，靠近管壁区域流速较 小，而主流区流速较大。当导叶高度较小时，它仅诱导管壁区域 作旋转运动，称为诱导螺旋流。对起旋器而言，要产生较大的周 向流速，则导叶必须具有一定的高度，使其能切入主流区，当导 叶高度大到一定值时，它将强制整个管流旋转，而且不受内部挟 带的固体质量多少的影响，称为强制螺旋流。但是导叶高度过 高，将会相应地增大阻流面积而引起阻力损失。 导叶的包角是由于在局部起旋方式下存在安放角而产生的 特殊参数，其大小不仅与导叶的安放角有关，还因起旋器长度、 内径等参数取值的不同而不同。为进一步阐明导叶包角的影响参 数，将起旋器沿半径方向展开为一平面图形，如图2 5 所示。 卜 卜一坐一 i 图2 - 5 起旋器( 四导叶) 沿径向展开图 0 导叶安放角l 一起旋器艮度卜起旋器内径 参照图2 5 ，由各参数的几何关系可得： q = 2 l t g o d( 2 一1 ) 其中：a 一导叶包角； l 一起旋器长度； d 一起旋器内径； 护一导叶安放角。 由此可见，导叶的包角是由导叶安放角、起旋器长度、起旋 器内径所共同决定的，其中任何一个参数的变化都会使得导叶包 角发生变化。无论是在物理模型还是在数值计算中，直接表现在 模型中的参数是导叶包角，而不是安放角，因此，将两者的关系 以数学表达式的形式给出是十分必要的。但有一点必须明确，在 决定起旋器结构参数时，不用直接考虑导叶包角，它是由其它参 数所决定的。因此，研究导叶的安放角仍然有着重要的意义。 导叶的安放角对水流周向运动和阻力的影响，类似于机翼 的冲角对流体的升力与阻力的影响。机翼的作用主要是为了获取 奎堡竺! ；奎兰堡! ! 耋堡丝兰 ；! ! ： 升力，又由于在流体中运动的物体，不可避免地会受到阻力的作 用，因此对机翼提出的技术要求，首先就是尽可能大的升力只和 尽量小的阻力p l ，也就是希望具有最佳的升、阻力比值占= 只 p ，这就是要求机翼采取有利的几何形状。机翼与绕流流体的 相互力作用特十牛，叫做机翼的气动力特性，这个力可分解成与来 流方向平行的一个阻力只和与来流方向垂直的一个升力只。实际 上常将机翼所受的力表示成动压力的倍数形式，即： o = 昙c ，pv2a(2-2a) 巳= ；cx pvla(2-2b) 其中：p 一流体密度； v 一不受机翼干扰的流体速度： a 一机翼的投影面积，即垂直于来流速度的投影面积； 只、只分别为流体的升力与阻力； g - 。c ，一分别为无量纲的升力系数与阻力系数。 由式( 22 ) 可知，对一定翼型在被绕流情况下，要确定 升、阻力关键是确定c 。、c ，值，而c ，、c ，是翼型形状及冲角口 的函数，而与翼型尺寸及绕流速度大小无关，其对应关系一般经 试验作出，如图2 6 所示。 由升、阻力系数与冲角的关系曲线可知，冲角口在0 。2 0 。 范围内，升力系数c ，随冲角口的增大而基本呈线性增大，阻力系 数c ，亦随冲角d 的增大而增大，但其增加的梯度( d c ，i d a ) 小于 太原理丁大学硕士学位论文 升力系数c 。的梯 度( d c d a ) 。 当冲角口超过2 0 。 后，5 1 力系数c 。 丌始陡降，而c ， 则大幅度增加。这 是由于流体与翼型 表面分裂所致，这 个冲角叫i 临界冲 角，超过临界冲角 以后的分裂绕流叫 置 一一一一一一一。 - 0 2 0c y - o i 麓 0 逸1 2 c 8 j 吖 j 、 、 j 0 - ：唑 ： 夕一：量 5 1 0 1 5 o 一 一 图2 6 升力系数、阻力系数与冲角的关系 失速流动。对照以上对机翼的气动力特性分析，可得出当水流通 过起旋器时，为获得充分的周向流动且避免较大的阻力，导叶的 安放角应控制在o 2 0 。 综上所述，起旋器的结构参数对于产生周向流动有着重要 的影响，同时也对阻力损失有影响，因为周向流动的产生总是伴 随着阻力损失。 太原理1 二大学硕十学位论文- 1 8 3 数学模型 圆管螺旋流属三维流动，即任时刻，流场中的任一物理量 是空间三个坐标的函数。显然对于本问题，最方便的是采用柱坐 标系。本文采用的是速度压强的差分解法，由于是直接求解u 、 v 、w 、p 的数值计算方法，所以属原始变量法。本文将主要针对装 设有局部起旋器的圆管螺旋流，通过对已有的模型进行简化，建 立起相应的数学模型，计算其内部的流速场和压力场。 由于本课题系初步研究，理论计算和模型试验暂定为清水。 3 1 数学模型建立 3 1 1 基本假定 起旋器的存在，使得管内形成紊动性质的螺旋流。鉴于问题 的复杂性，理论模型中暂不考虑紊动因素，从而忽略雷诺应力的 影响。本研究中拟定螺旋管流的流动条件为恒定流。 3 ，1 2 数学方程 针对管道螺旋流的流动特性，在三维柱坐标系( f ，0 ，z ) 下进行分析模拟( 如图3 一l 所示) 。 幽3 - 1圆管螺旋流柱坐标图 n s 方程在三维柱坐标系下可描述为 ! ! 奎星些三奎兰堡圭耋堡鎏耋 ：! ! ： 矿v _ 一等= f 一三p 挈o r + u ( 一号嘉一乓r ) ( 3 一i a ) ， r a p 矿v + 华= 一吉骞+ u + 吾等一c 。讪， 矿v 圪= c 罢+ o a v , ( 31 c 等+ ! 等+ 冬+ 兰：o ( 3 - 1 d ) 钟ra 8a zr 1 其中：一、屹分别为沿r 、口、z 方向的流速分量：p 为一点 处的压强； 矿v = _ 导+ 堡r 刍+ t 鲁；拉普拉斯算子 卯d f宓 ：l l ，( ，昙) + 1 r 票+ 昙；。为水流的运动粘性系数；f 、 2 r 咖7 石) + 7 瓦芦+ 萨5 ”为水流的还动粘性系数；f 、 b 、c 分别为单位质量力沿r 、目、z 方向的分量。 3 1 3 流动的边界条件 固壁及导叶边界采用无滑移边界条件，即认为该处的流体速度 与壁面或导叶处的速度相同。 由于流体在圆管内流动时，只有达到完全发展后，管内各截面 上的流速分布和流型才确定不变，因此，轴向的初始断面速度应取为 稳定流动时的速度。起旋器进口前的轴向速度按平直流条件下的紊流 流速公式计算，即其流速分布呈对数分布，且流速分布公式与流区有 关。因此，须首先判断试验条件下的流区。因试验采用的是有机玻璃 管，确定其粗糙度= o 0 0 0 1 5 c m ，因此假定轴向流动处于水力光滑 区，又因为本试验最大雷诺数r e m a x 1 0 5 ，故可用伯拉修斯公式求 沿程阻力系数f ： 厂：尝( 3 - 2 ) 。 r 。o 2 5 并计算相应的摩阻流速“，和摩阻雷诺数r 。见表3 - l 。摩阻雷 诺数r ，采用下式计算 r ，：竺坠( 3 3 ) 式中：u 一水流运动粘性系数，取管内试验水温为1 7 。c ，则 d = o 0 1 0 9 c m 2 s ： a 一有机玻璃管壁面的绝对粗糙度，取为0 0 0 1 5 m m ； 一摩阻流速，虬。= 舌e ( 万为断面平均流速) 。 表3 1 轴向流动的、“r 和r ” 流量( l s )5 3647 58 1 断面平均流速( c m s ) 4 6 95 666 6 37 l6 雷诺数r e 5 1 6 3 36 2 3 1 27 2 9 9 l7 8 8 2 6 阻力系数 o 0 2 1 00 0 2 0 0o 0 1 9 2o o 】8 9 摩阻流速”r ( c m s ) 2 4 0 32 8 3 03 2 4 83 4 8 0 摩阻雷诺数r ， 0 0 3 30 0 3 90 0 4 500 4 8 由表3 1 可知，试验条件的最大摩阻雷诺数 r ，m a x 2 0 0 4 8 p m l ，因 太原理工大学硕、 学位论文3 5 ， 此计算的迭代过程是收敛的。 3 5 计算结果 为了探讨起旋器的起旋效果，根据对起旋器结构的分析， 确定其结构参数为：起旋器管径d = 1 2 c m ；起旋器长度l 取 1 5 d ，l = 1 8 c m ；导叶个数采用4 个；导叶高度采用d 4 ；导叶安 放角q 采用1 0 。、1 5 。：导叶厚度为5 r m 。起旋器及管路均采用有 机玻璃制成。起旋器的试验方案如表34 所示。试验采用的流量 工况为8 1 l s 、7 5 l s 、6 4 l s 、5 3 l s 。 表3 - 4 起旋器方案表 起旋器结构参数 起旋器方案 起旋器起旋器导叶数导叶高度导叶导叶 直径d长度l n 安放角o厚度t 备注 编号 ( a 1 1 )( c i l l )( 个)( c m ) ( 。) ( m i l l ) 两种起旋器 l1 21 8431 55 流量1 况为 81 l s 7 5 l s 21 21 843】o5 6 4 l s 5 3 l s 根据选定的起旋器方案，在一定流量条件下，可得到存储 于各结点即图中“x ”、“。”、“0 ”等点上的速度、压强 值。这样，在计算结果的描述上，需要经过差值才能得出相同位 置上的数据，相应地增加了程序编制的工作量，而且网格系统中 的结点编号必须仔细处理方可协调一致。数值模拟的结果很多， 限于时问与篇幅，本文仅选出有代表性的、能说明问题的一部分 绘制成直观的图形。主要作出了第一起旋器方案、不同流量、不 州断面的流速、压强分布图；为、f 比结构参数对水流运动的影 太原理工大学硕士学位论文。3 6 响，将两种起旋器方案在相同流量下、同一半径位置处的周向流 速绘出，而流速、l 强图可参照第一方案；给出了第二起旋器方 案下的周向流速沿轴向的变化图，可以了解周向运动的衰减趋 势。为了将计算结果与所选取的断面对应起来，特绘制了圆周平 面的周向计算网格图( 见图3 - 6 ) ，并在其中标出了导叶的位置。 需要说明的是，径向流速沿程计算数据较小，有些近乎为零，因 此并未成图。最后，对其做进一步的调整修正后，得到的结果如 图3 7 2 2 所示。 j - - 1 0 导叶 导一】= 1 l 愆1 , 蕊。 笏 髯涮 j ：7 导昨 图3 - 6 圆周平面的周向计算网格图( 四导叫) 奎堡堡三奎兰堡圭耋堡丝塞 ：! ： 7 0 6 5 6 0 ol 2 径向位3 置r c m 456 图3 7 第一起旋器方案入1 2 10 7 5 d 断面计算轴向流速分布( q = 7 5 l s ) 2 5 芒2 0 g ，s 翼- o 尽 窭5 o 径向位置r e m 剀3 - 8 第一起旋器方案入口0 7 5 d 断面计算周向流速分布( q = 7 5 l s ) 圣6 5 茎薰 嚣： o234 杵向位置r e r a 0 - 53 l s - 0 - 64 l s 0 - 75 l s 0 - 81 l s h39 笫一起旋器方案入r 丁o7 5 d 断面，导州迎流面( i = 4 ) 计算轴向流述分布 奎堡堡三；查兰堡尘兰堡垒苎：2 1 ： 1 ； 幽 遮 羞 匿 q - 53 l s 0 - 64 l s o = 75 l s 0 - 8 1 l s 径向位置r c m 图3 1 0 第一起旋器方案入口0 7 5 d 断面，导叶迎流面0 = 4 ) 计算周向流速分布 日2 82 2 想2 点2 2356 行向位置r c m 0 = s3 l s - 0 = 64 l s i q - 7 5 l s 1 q - 81 l s 倒3 一| 1 第一起旋器方案入口0 7 5 d 断面，导nj 迎流面0 _ 4 ) 计算压强分布 奎堡些三奎耋堡圭茎堡垒塞；! ! ： 由于在数值模拟结果中，起旋器管段的流速分布基本上是中心 对称的，故仅作 了1 4 断面的流速分布图。图3 7 1 1 所计算的 断面距起旋器入l _ 为o 7 5 d ，即此位置相对初始入口旋转的角度按 式( 3 1 0 ) 计算为2 3 0 3 。：图3 7 、8 中j = l 、j = 2 、j = 3 是指与第一 计算导叶之间的央角分别为2 4 、3 2 4 、5 2 4 的位置：图3 9 1 1 中所谓的导u f 迎流面是指与第一计算导叶之间的火角为7 e 2 = 7n 2 4 的位置。 起旋器管段内部的流场由于条件所限，目前还无法通过试验 予以验证，故在此将其流场特性就数值模拟结果作一初步分析： 在选定的起旋器方案下，起旋器管段的流速分布基本上是中心对 称的。轴向流速呈现管壁处小而管中心处大的分布规律，且同一 半径处，迎流面轴向流速略小于背流面轴向流速( o n 图3 7 所 示) ：周向流速沿径向近似呈线性分布，且导叶迎流面的周向流速 大于背流面的流速( o n 图3 8 所示) 。这一现象是由于导叶的存在 和水流的粘性作用所致。另外，由图3 9 、1 0 可以看出，流场中 相同位置的轴向和周向流速随着流量的增大而增大。压强的分布 无上述的对称性，沿径向的分布见图3 1 1 ，可以看出，靠近管壁 处