起旋器內部的流速場和渦量場特性.docx

1、排灌機械工程學報2011年3月Mar.2011第29卷第2期Vol.29No.2JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineeringdoi:10.3969/j.issn.1674-8530.2011.02.013起旋器內部的流速場和渦量場特性李永業(yè)，孫西歡，王銳(太原理I：大7水利料學與I.程學院.山州太原030024)摘要：為解決低壓管道灌溉中存在的含沙水流淤堵管道的問題，采用了低壓管道灌溉的螺旋流輸水方式.起旋器是產生螺旋流的主要裝置，通過理論分析與試驗探索，在起旋器內部通道設置了4個測試斷面，并對各測試斷面內螺旋流的水力特性進行研究.結果表

2、明：導葉對起旋器內部的流速場和渦量場都有重要影響.在不同半徑的柱面上，導流片曲線段區(qū)域流速變化較大，且越靠近圓管邊壁流速變化越強烈.在相同半徑的柱面上，軸向流速變化最大，周向流速變化次之，徑向流速變化最小.在導葉的進口產生渦旋，繼而渦量不斷增加并向無導流片區(qū)域擴散，形成了渦量密集區(qū)且在有導流片的區(qū)域，越靠近圓管邊壁渦量變化越快.同時用羅斯比數與埃克曼數的大小來反映水流通過起旋器時水流旋轉的強烈程度.起旋器內螺荻流渦量場中羅斯比數小于1,?？寺鼣盗考墳?0_610-5,表明水流通過起旋器時旋轉較為強烈.關鍵詞：起旋器；螺旋流；渦量場；流速場；導葉中圖分類號：S277.9；TV135文獻標志碼：A

3、文章編號：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基金項目：國家自然科學從金資助項|(50579(M4);山四高?？萍佳芯块_發(fā)項目(20091008)作者簡介：李永業(yè)(1977-),為.山四臨偷人.講師.四七

9、(liysigye-2000,),主要從小流體力學及流休機城研究.孫西歡(I960).一.山網臨猗人.教授，博I：生導師(通住作者.sunxihuan甸),主要從*1：業(yè)水力學研究.m.低壓管道灌溉作為一種才水灌溉方式，已被廣泛推廣應用'一',但在農HI灌溉中由有JE管道多采用平直流輸水,對于含沙水流管道輸送及抽水箓站壓力管道的含沙水流輸送，往往會因泥沙沉積造成管道淤堵而影響其正常T.作為r克服平宜流輸水的缺陷，采用了螺旋流輸水的方式.起旋器？是圓管螺旋流產生的函要裝置，它是由若干導葉蛆成的導水機構，能將平有流有效的轉化為螺旋流.其產生的旋流特性丑接關系到有壓管道灌溉的灌水效果

10、.文中主要對起旋器內部的流速場和渦量場特性進行研究.1試驗裝置試驗裝置主要由供水裝置、測試裝置、起旋器裝置以及試驗管道紐成.供水裝'置主要由水泉來完成,測試裝置主要由渦輪流量汁和七孔測針組成.其中渦輪流雖計主要用于測試管道流林，七孔測針主要用來測量起旋器內部的流速分布.七孔測針是NASAN-SAMES和美國空間研究院共同研究的成果，用以測量三維流場的流動參數.測針頭部甘徑約為2.54mm,試驗管道由直徑為100mm的有機玻璃圓管組成，全長約50m.起旋器裝置是一段由導葉組成的石機玻璃網管，管徑和試臉管道相同，導葉均勻旦等間距的布設在管道的內壁.起旋器安裝在試驗管道上，距時閥約15m.試

11、驗時，先通過水系將水從地下水庫抽入輸水管道.經閘閥調廿、流危到所需試驗工況，待水流穩(wěn)定后，用L；孔測針對起旋器內部的流場特性進行測試.試驗裝置如圖1所示.彎曲段延伸的長度，心為導葉片總長.柱面位置以半徑r'="R表示.其中為從管軸線向外開始計算的半徑，/?為圓管半徑.由于起旋器內部的流場分布較為復雜，為了能比較精確地測出其內部流場,分析其特性，所以本試驗在布置測點時,采用柱坐標系,r.0軸所在而為圓管斷面./軸為水流方向，其體如圖2所示.試驗時，根據導葉的形狀，在起旋器內部通道設置了4個測試斷面，具體如圖3所示.其中，斷面I在導流片的入口處.斷而II.111在曲段上，斷面N在

12、導流片的出口處.各斷面測點布置相同，每個斷面都各布設48個測點.其中，除圓心處布設1個測點外，在r'=0.2的柱面上布設7個測點，在=0.4的柱面上布設8個測點，在/=0.7的柱面上布設14個測點，在=0.9的柱而上布設18個測點.因此沿起旋器的K度方向，在/=0.4的柱面上共布設32個測點，=0.9的柱面上共布設72個測點，測點遍布起旋器;各斷面內部的不同位置,測量結果能夠很好地反映起旋器內部各斷面流場的分布.圖2測點布曾的柱坐標系Fig.2Cylindricalcoordinatesystemofpointsarrangement2試驗方案圖3起旋器內部斷面布置圖Fig.3Sect

13、ionallayoutchartingeneratorc=i（XI局部起旋器MW離心家1圖1試驗裝置示意圖Fig.1Layoutchartofexperimentallaeililics3試驗結果與分析起旋器的主要組成部分是導葉，試驗時選用導葉的結構參數:導葉高度h=3.3cm,長度L=25cm,厚度3=0.5cm,片數=3片（等間距的布設在管壁周圍），導葉包角0'=15。.起旋器內各測試斷面的位置以Sl/偵表示，其中/為從導葉始向3.1流速場特性研究起旋器內部的流動是三維流場，其速度V可以分解成徑向流速"，周向流速1。,軸向流速s其無量綱速度:擴二專，妒=號,/=勺圖4-6

14、是利用surfer軟件得出的Ae=0.36x10、沿起旋器的長度方向（水流方向）I：,在柱面=0.4和V=0.9時,起旋器內部不同測點的無量綱流速柱面等值線圖.從圖中可以看出:不同半徑的柱面上，導流片直段區(qū)域流速變化較小，導流片曲段區(qū)域流速變化較大,旦在導流條存在的區(qū)域，水流經過該區(qū)域時，越靠近圓管邊壁各流速變化越強烈;在相同半徑的柱面上，從3個方向流速的變化情況而言，軸向流速變化最大,周向流速次之，徑向流速變化最小;從流速分布情況看，水流從導葉的宜段進入,流經導葉曲線段，在導葉的作用下，水流起旋形成螺旋流，而11隨著導葉的逐漸扭曲，水流的旋轉強度逐漸增加.(a)r'=0.4(b)廣=

15、0.9圖4輔向流速柱面等值線圖Fig.4Cylindricalcontourdiagrumofaxialflowrate(a)"=0.4(b)r*=0.9圖5周向流速柱而等值線圖Fig.5Cylindricalcontourdiagramof<*ircuinferenlialflowrate(a)r'=0.4(b)r'=0.9圖6徑向流速柱面等值線圖Fig.6Cylindricalcontourdiagramofradialflowrate3.2渦量場特性研究在流體力學中，渦雖定義為”二VX”，由斯托克斯定理“-dr=J/Mij知：渦量場和速度場相互聯(lián)系，渦房場

16、和速度場都是整個流場的重要組成部分.因此從渦動力學角度出發(fā)來剛述起旋器內部流體運動的基本規(guī)律，nJ以更深刻的認識起旋器內部流體流動的物理本質.圖7為雷諾數&=0.36x105時，利用surfer軟件得出的起旋器內部各斷面的軸向渦昂:分布等值線圖.從中可以看出:在導葉的進口，由于水流與導HI之間的相互作用，產生渦旋，繼而在扭曲的導葉和流體黏性的共同作用下，渦站不斷增加并向無導流片區(qū)域擴散,結果形成了渦珀密集IX：.說明導葉的形狀對漩禍的形成和演化起主導作用.與流速的變化規(guī)律類似,導流片4線區(qū)域渦量變化較曲線區(qū)域小，而旦在有導流片的區(qū)域，越靠近圓管邊壁渦址變化越快，即離導流片區(qū)域越近，渦量

17、變化越快.由于圓管邊界和導葉的共同作用，使局部流場內有小漩渦產生.(a)£，=0(斷面I)(b)L'=0.6(斷面II)(c)£'=0.8(斷面III)(d)U=1.0(斷面IV)圖7軸向渦撾等值線圖Fig.7Contourdiagramofaxialvorlicily3.3無量綱渦量方程與特征數渦址動力學方程'為+Vx(Pxv)=VxF-Vx(lVp)+dt'p)VX(vV>)+yvXuV(V-y),(1)式中:。為渦量注為速度矢量/,p分別為質雖力和表面力;P，。分別為流體密度和運動黏性系數；V為哈密頓算子.由式可知，引起螺旋流渦量

18、產生和變化的主要是質量:力、壓力梯度和黏性力3個要素，即螺旋流渦雖的產生和擴散決定于流體黏性、流體的斜壓性和外力的無勢.因此.正是由于這些要素的作用才使得水流在裝有導葉的起旋器中產生渦流，形成上述的渦量場特性，并使之隨時間和位置不斷發(fā)生變化其中在質量力中最汞要的是無勢的外力(非保守力)，即科氏力.旋轉流體中單位質量的科氏力為/x=-2toxv,(2)式中：s為旋轉流體的旋轉角速度矢量.而對于研究的起旋器流場,離心慣性力和重力的作用相對于科氏力很小，可以忽略，所以對不可壓縮流體，渦動力學方程式可簡化為+pV”-(+2功)wv=en.dt為將式(3)變?yōu)闊o危綱方程，引入無童綱參數如下:"

19、=岑Q,，=7,切=sk,u3U式中:U,Lq'分別為特征速度、特征長度和特征時間;A為沿自轉軸的單位矢斌.于是可得無量綱形式的渦量方程為竺+Vx(KosO+2Jt)xp=EkN2。in(4)式中:險s和Ek分別為羅斯比(Kossby)數和?？寺?Ekman)數,其表達式為(5)(5)ROS=QL'-Q?從式(5)nJ以看出，羅斯比數是慣性力與科氏力的比值,?？寺鼣凳丘ば粤εc科氏力的比值.由此可見科氏力對螺旋流渦鉞場特性的重要性.所以，可以通過研究羅斯比數與埃克曼數的大小與變化，來研究起旋器內渦量場的性狀.由式(5)計算得到雷諾數屁=0.36x10時，斷而I,II,1H,IV中

20、心點的羅斯比數分別為:0.1360.0.4543.0.4495,0.4227；斷而】，U,m,IV中心點的?？寺鼣捣謩e為：3.78X10'6,1.26xl0-5,1.25xl0_l.17xlO*5.其中特征速度0取管道水流的軸向斷面平均流速,特征長度/'取管道內徑.可以看出，起旋器內螺旋流渦量場中Ros<,而以的量級為1(廠610-二表明水流通過扭曲的導葉時，旋轉較為擷烈.4結論1) 不同半徑的柱面上，導流片曲段區(qū)域流速變化較大.H越靠近圓管邊壁各流速變化越強烈;在相同半徑的柱面I:軸向流速變化最大，徑向流速變化坂小;管內水流在導葉的作用下產生螺旋流,并向無導流片區(qū)域擴散

21、且逐漸衰減.2) 在導葉的進口產生渦旋，繼而渦景不斷增加并向無導流片區(qū)域擴散.形成了渦量密集區(qū);在有導流片存在的區(qū)域，越靠近圓管邊壁渦員變化越快.3) 羅斯比數與?？寺?數的大小，反映了渦量的大小與演化.起旋器內螺旋流渦量場中Ros<Ek數的雖級為IO*10鄧，表明水流通過起旋器時旋轉較為強烈.參考文獻(References)1白丹.葉文宇，張建R等.虹吸式波涌管道灌溉技術的初步研究JL農業(yè)【:程學報.2006.22(1):179-181.BaiDan,YeWenyu,ZhangJianfeng,etal.PreliminaryresearchofsiphonsurgeHowirriga

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