起旋器内部的流速场和涡量场特性.docx

1、排灌机械工程学报2011年3月Mar.2011第29卷第2期Vol.29No.2JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineeringdoi:10.3969/j.issn.1674-8530.2011.02.013起旋器内部的流速场和涡量场特性李永业，孙西欢，王锐(太原理I：大7水利料学与I.程学院.山州太原030024)摘要：为解决低压管道灌溉中存在的含沙水流淤堵管道的问题，采用了低压管道灌溉的螺旋流输水方式.起旋器是产生螺旋流的主要装置，通过理论分析与试验探索，在起旋器内部通道设置了4个测试断面，并对各测试断面内螺旋流的水力特性进行研究.结果表

2、明：导叶对起旋器内部的流速场和涡量场都有重要影响.在不同半径的柱面上，导流片曲线段区域流速变化较大，且越靠近圆管边壁流速变化越强烈.在相同半径的柱面上，轴向流速变化最大，周向流速变化次之，径向流速变化最小.在导叶的进口产生涡旋，继而涡量不断增加并向无导流片区域扩散，形成了涡量密集区且在有导流片的区域，越靠近圆管边壁涡量变化越快.同时用罗斯比数与埃克曼数的大小来反映水流通过起旋器时水流旋转的强烈程度.起旋器内螺荻流涡量场中罗斯比数小于1,埃克曼数量级为10_610-5,表明水流通过起旋器时旋转较为强烈.关键词：起旋器；螺旋流；涡量场；流速场；导叶中图分类号：S277.9；TV135文献标志码：A

3、文章编号：1674-8530(2011)02-0155-05CharacteristicsofvelocityfieldandvorticityfieldingeneratorYongye,SunXihuanyWangRid(CollegeofWaterRvsourteSciencean<!EnpnrrringvTaiyuanUniversityofTechnology.Taiyuan«Shanxi030024.China)Abstract:Inorderlosolvetheproblemsofpipeblockageofthesedimentkidenflowinlow-pr

4、essurepipeirrigation,aspiralflowwater-conveyingmethodwasadoptedinthelow-pressurepipeirrigation.Thegeneratorwasthekeydevicetogeneratetliespiralflow.Throughtheoreticalanalysisandexperimentalexploration,fourtestingsectionsweredesignedinthegeneratorinneraisleandthehydrauliccharacteristicsofthespiralflow

5、ineachtestingsectionwerestudied.Theresultsshowthattheguidevaneshavesignificantinfluenceonthevelocityfieldandthevorticityfieldinthegenerator.Indifferentradialcylinders,thevelocitychangesgreaterinthecurvesegmentoftheguidevane,andthecloseritistothepipewallthegreaterthevelocitychanges.Inthesameradialcyl

6、inder,thevariationsoftheaxialvelocityarethelargest,whilethoseofthecircumferentialcomponenttakesecondplaceandthoseoftheradialconipo-nentarethesmallest.Thevortexhappensattheentrancetotheguidevane.Thenthevorticilyincreasesconstantlyanddiffusestotheregionwithoutguidevanes.Thedenseareaofthevorticityis(br

7、inedandattheexistingregionofguidevanes,andthedoseritistothepipewallthegreaterthevorticitychanges.Meanwhile,therotationalviolentdegreewasdescribedbythevaluesofRossbynumberandEktnannumberwhenthewaterflowgoesihroughthegenerator.TheRossbynumbersarelessthan1andthemagnitudesofEkmannumberliebetween106and10

8、5inthevorticityfieldofthespiralflowinthegenerator.ItshowsthattherotationalIviolentdegreeisgreaterwhilethewaterflowgoesthroughthegenerator.Keywords:generator；spiralflow；vorticityfield；velocityfield;guidevane收璃日期：2010-05-13基金项目：国家自然科学从金资助项|(50579(M4);山四高校科技研究开发项目(20091008)作者简介：李永业(1977-),为.山四临偷人.讲师.四七

9、(liysigye-2000,),主要从小流体力学及流休机城研究.孙西欢(I960).一.山网临猗人.教授，博I：生导师(通住作者.sunxihuan甸),主要从*1：业水力学研究.m.低压管道灌溉作为一种才水灌溉方式，已被广泛推广应用'一',但在农HI灌溉中由有JE管道多采用平直流输水,对于含沙水流管道输送及抽水箓站压力管道的含沙水流输送，往往会因泥沙沉积造成管道淤堵而影响其正常T.作为r克服平宜流输水的缺陷，采用了螺旋流输水的方式.起旋器？是圆管螺旋流产生的函要装置，它是由若干导叶蛆成的导水机构，能将平有流有效的转化为螺旋流.其产生的旋流特性丑接关系到有压管道灌溉的灌水效果

10、.文中主要对起旋器内部的流速场和涡量场特性进行研究.1试验装置试验装置主要由供水装置、测试装置、起旋器装置以及试验管道纽成.供水装'置主要由水泉来完成,测试装置主要由涡轮流量汁和七孔测针组成.其中涡轮流虽计主要用于测试管道流林，七孔测针主要用来测量起旋器内部的流速分布.七孔测针是NASAN-SAMES和美国空间研究院共同研究的成果，用以测量三维流场的流动参数.测针头部甘径约为2.54mm,试验管道由直径为100mm的有机玻璃圆管组成，全长约50m.起旋器装置是一段由导叶组成的石机玻璃网管，管径和试脸管道相同，导叶均匀旦等间距的布设在管道的内壁.起旋器安装在试验管道上，距时阀约15m.试

11、验时，先通过水系将水从地下水库抽入输水管道.经闸阀调廿、流危到所需试验工况，待水流稳定后，用L；孔测针对起旋器内部的流场特性进行测试.试验装置如图1所示.弯曲段延伸的长度，心为导叶片总长.柱面位置以半径r'="R表示.其中为从管轴线向外开始计算的半径，/?为圆管半径.由于起旋器内部的流场分布较为复杂，为了能比较精确地测出其内部流场,分析其特性，所以本试验在布置测点时,采用柱坐标系,r.0轴所在而为圆管断面./轴为水流方向，其体如图2所示.试验时，根据导叶的形状，在起旋器内部通道设置了4个测试断面，具体如图3所示.其中，断面I在导流片的入口处.断而II.111在曲段上，断面N在

12、导流片的出口处.各断面测点布置相同，每个断面都各布设48个测点.其中，除圆心处布设1个测点外，在r'=0.2的柱面上布设7个测点，在=0.4的柱面上布设8个测点，在/=0.7的柱面上布设14个测点，在=0.9的柱而上布设18个测点.因此沿起旋器的K度方向，在/=0.4的柱面上共布设32个测点，=0.9的柱面上共布设72个测点，测点遍布起旋器;各断面内部的不同位置,测量结果能够很好地反映起旋器内部各断面流场的分布.图2测点布曾的柱坐标系Fig.2Cylindricalcoordinatesystemofpointsarrangement2试验方案图3起旋器内部断面布置图Fig.3Sect

13、ionallayoutchartingeneratorc=i（XI局部起旋器MW离心家1图1试验装置示意图Fig.1Layoutchartofexperimentallaeililics3试验结果与分析起旋器的主要组成部分是导叶，试验时选用导叶的结构参数:导叶高度h=3.3cm,长度L=25cm,厚度3=0.5cm,片数=3片（等间距的布设在管壁周围），导叶包角0'=15。.起旋器内各测试断面的位置以Sl/侦表示，其中/为从导叶始向3.1流速场特性研究起旋器内部的流动是三维流场，其速度V可以分解成径向流速"，周向流速1。,轴向流速s其无量纲速度:扩二专，妒=号,/=勺图4-6

14、是利用surfer软件得出的Ae=0.36x10、沿起旋器的长度方向（水流方向）I：,在柱面=0.4和V=0.9时,起旋器内部不同测点的无量纲流速柱面等值线图.从图中可以看出:不同半径的柱面上，导流片直段区域流速变化较小，导流片曲段区域流速变化较大,旦在导流条存在的区域，水流经过该区域时，越靠近圆管边壁各流速变化越强烈;在相同半径的柱面上，从3个方向流速的变化情况而言，轴向流速变化最大,周向流速次之，径向流速变化最小;从流速分布情况看，水流从导叶的宜段进入,流经导叶曲线段，在导叶的作用下，水流起旋形成螺旋流，而11随着导叶的逐渐扭曲，水流的旋转强度逐渐增加.(a)r'=0.4(b)广=

15、0.9图4辅向流速柱面等值线图Fig.4Cylindricalcontourdiagrumofaxialflowrate(a)"=0.4(b)r*=0.9图5周向流速柱而等值线图Fig.5Cylindricalcontourdiagramof<*ircuinferenlialflowrate(a)r'=0.4(b)r'=0.9图6径向流速柱面等值线图Fig.6Cylindricalcontourdiagramofradialflowrate3.2涡量场特性研究在流体力学中，涡虽定义为”二VX”，由斯托克斯定理“-dr=J/Mij知：涡量场和速度场相互联系，涡房场

16、和速度场都是整个流场的重要组成部分.因此从涡动力学角度出发来刚述起旋器内部流体运动的基本规律，nJ以更深刻的认识起旋器内部流体流动的物理本质.图7为雷诺数&=0.36x105时，利用surfer软件得出的起旋器内部各断面的轴向涡昂:分布等值线图.从中可以看出:在导叶的进口，由于水流与导HI之间的相互作用，产生涡旋，继而在扭曲的导叶和流体黏性的共同作用下，涡站不断增加并向无导流片区域扩散,结果形成了涡珀密集IX：.说明导叶的形状对漩祸的形成和演化起主导作用.与流速的变化规律类似,导流片4线区域涡量变化较曲线区域小，而旦在有导流片的区域，越靠近圆管边壁涡址变化越快，即离导流片区域越近，涡量

17、变化越快.由于圆管边界和导叶的共同作用，使局部流场内有小漩涡产生.(a)£，=0(断面I)(b)L'=0.6(断面II)(c)£'=0.8(断面III)(d)U=1.0(断面IV)图7轴向涡挝等值线图Fig.7Contourdiagramofaxialvorlicily3.3无量纲涡量方程与特征数涡址动力学方程'为+Vx(Pxv)=VxF-Vx(lVp)+dt'p)VX(vV>)+yvXuV(V-y),(1)式中:。为涡量注为速度矢量/,p分别为质虽力和表面力;P，。分别为流体密度和运动黏性系数；V为哈密顿算子.由式可知，引起螺旋流涡量

18、产生和变化的主要是质量:力、压力梯度和黏性力3个要素，即螺旋流涡虽的产生和扩散决定于流体黏性、流体的斜压性和外力的无势.因此.正是由于这些要素的作用才使得水流在装有导叶的起旋器中产生涡流，形成上述的涡量场特性，并使之随时间和位置不断发生变化其中在质量力中最汞要的是无势的外力(非保守力)，即科氏力.旋转流体中单位质量的科氏力为/x=-2toxv,(2)式中：s为旋转流体的旋转角速度矢量.而对于研究的起旋器流场,离心惯性力和重力的作用相对于科氏力很小，可以忽略，所以对不可压缩流体，涡动力学方程式可简化为+pV”-(+2功)wv=en.dt为将式(3)变为无危纲方程，引入无童纲参数如下:"

19、=岑Q,，=7,切=sk,u3U式中:U,Lq'分别为特征速度、特征长度和特征时间;A为沿自转轴的单位矢斌.于是可得无量纲形式的涡量方程为竺+Vx(KosO+2Jt)xp=EkN2。in(4)式中:险s和Ek分别为罗斯比(Kossby)数和埃克曼(Ekman)数,其表达式为(5)(5)ROS=QL'-Q?从式(5)nJ以看出，罗斯比数是惯性力与科氏力的比值,埃克曼数是黏性力与科氏力的比值.由此可见科氏力对螺旋流涡钺场特性的重要性.所以，可以通过研究罗斯比数与埃克曼数的大小与变化，来研究起旋器内涡量场的性状.由式(5)计算得到雷诺数屁=0.36x10时，断而I,II,1H,IV中

20、心点的罗斯比数分别为:0.1360.0.4543.0.4495,0.4227；断而】，U,m,IV中心点的埃克曼数分别为：3.78X10'6,1.26xl0-5,1.25xl0_l.17xlO*5.其中特征速度0取管道水流的轴向断面平均流速,特征长度/'取管道内径.可以看出，起旋器内螺旋流涡量场中Ros<,而以的量级为1(厂610-二表明水流通过扭曲的导叶时，旋转较为撷烈.4结论1) 不同半径的柱面上，导流片曲段区域流速变化较大.H越靠近圆管边壁各流速变化越强烈;在相同半径的柱面I:轴向流速变化最大，径向流速变化坂小;管内水流在导叶的作用下产生螺旋流,并向无导流片区域扩散

21、且逐渐衰减.2) 在导叶的进口产生涡旋，继而涡景不断增加并向无导流片区域扩散.形成了涡量密集区;在有导流片存在的区域，越靠近圆管边壁涡员变化越快.3) 罗斯比数与埃克曼!数的大小，反映了涡量的大小与演化.起旋器内螺旋流涡量场中Ros<Ek数的虽级为IO*10邓，表明水流通过起旋器时旋转较为强烈.参考文献(References)1白丹.叶文宇，张建R等.虹吸式波涌管道灌溉技术的初步研究JL农业【:程学报.2006.22(1):179-181.BaiDan,YeWenyu,ZhangJianfeng,etal.PreliminaryresearchofsiphonsurgeHowirriga

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