起旋器內(nèi)部的流速場和渦量場特性.docx

1、排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)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(nèi)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(xué)與I.程學(xué)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(chǎn)生螺旋流的主要裝置，通過理論分析與試驗(yàn)探索，在起旋器內(nèi)部通道設(shè)置了4個(gè)測試斷面，并對各測試斷面內(nèi)螺旋流的水力特性進(jìn)行研究.結(jié)果表

2、明：導(dǎo)葉對起旋器內(nèi)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(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)葉的進(jìn)口產(chǎn)生渦旋，繼而渦量不斷增加并向無導(dǎo)流片區(qū)域擴(kuò)散，形成了渦量密集區(qū)且在有導(dǎo)流片的區(qū)域，越靠近圓管邊壁渦量變化越快.同時(shí)用羅斯比數(shù)與?？寺鼣?shù)的大小來反映水流通過起旋器時(shí)水流旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)烈程度.起旋器內(nèi)螺荻流渦量場中羅斯比數(shù)小于1,埃克曼數(shù)量級為10_610-5,表明水流通過起旋器時(shí)旋轉(zhuǎn)較為強(qiáng)烈.關(guān)鍵詞：起旋器；螺旋流；渦量場；流速場；導(dǎo)葉中圖分類號(hào)：S277.9；TV135文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

3、文章編號(hào)：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(xiàng)目：國家自然科學(xué)從金資助項(xiàng)|(50579(M4);山四高校科技研究開發(fā)項(xiàng)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(xué)及流休機(jī)城研究.孫西歡(I960).一.山網(wǎng)臨猗人.教授，博I：生導(dǎo)師(通住作者.sunxihuan甸),主要從*1：業(yè)水力學(xué)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(yīng)用'一',但在農(nóng)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(huì)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(chǎn)生的函要裝置，它是由若干導(dǎo)葉蛆成的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，能將平有流有效的轉(zhuǎn)化為螺旋流.其產(chǎn)生的旋流特性丑接關(guān)系到有壓管道灌溉的灌水效果

10、.文中主要對起旋器內(nèi)部的流速場和渦量場特性進(jìn)行研究.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置主要由供水裝置、測試裝置、起旋器裝置以及試驗(yàn)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(jì)主要用于測試管道流林，七孔測針主要用來測量起旋器內(nèi)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(dòng)參數(shù).測針頭部甘徑約為2.54mm,試驗(yàn)管道由直徑為100mm的有機(jī)玻璃圓管組成，全長約50m.起旋器裝置是一段由導(dǎo)葉組成的石機(jī)玻璃網(wǎng)管，管徑和試臉管道相同，導(dǎo)葉均勻旦等間距的布設(shè)在管道的內(nèi)壁.起旋器安裝在試驗(yàn)管道上，距時(shí)閥約15m.試

11、驗(yàn)時(shí)，先通過水系將水從地下水庫抽入輸水管道.經(jīng)閘閥調(diào)廿、流危到所需試驗(yàn)工況，待水流穩(wěn)定后，用L；孔測針對起旋器內(nèi)部的流場特性進(jìn)行測試.試驗(yàn)裝置如圖1所示.彎曲段延伸的長度，心為導(dǎo)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(jì)算的半徑，/?為圓管半徑.由于起旋器內(nèi)部的流場分布較為復(fù)雜，為了能比較精確地測出其內(nèi)部流場,分析其特性，所以本試驗(yàn)在布置測點(diǎn)時(shí),采用柱坐標(biāo)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(yàn)時(shí)，根據(jù)導(dǎo)葉的形狀，在起旋器內(nèi)部通道設(shè)置了4個(gè)測試斷面，具體如圖3所示.其中，斷面I在導(dǎo)流片的入口處.斷而II.111在曲段上，斷面N在

12、導(dǎo)流片的出口處.各斷面測點(diǎn)布置相同，每個(gè)斷面都各布設(shè)48個(gè)測點(diǎn).其中，除圓心處布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)外，在r'=0.2的柱面上布設(shè)7個(gè)測點(diǎn)，在=0.4的柱面上布設(shè)8個(gè)測點(diǎn)，在/=0.7的柱面上布設(shè)14個(gè)測點(diǎn)，在=0.9的柱而上布設(shè)18個(gè)測點(diǎn).因此沿起旋器的K度方向，在/=0.4的柱面上共布設(shè)32個(gè)測點(diǎn)，=0.9的柱面上共布設(shè)72個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)遍布起旋器;各斷面內(nèi)部的不同位置,測量結(jié)果能夠很好地反映起旋器內(nèi)部各斷面流場的分布.圖2測點(diǎn)布曾的柱坐標(biāo)系Fig.2Cylindricalcoordinatesystemofpointsarrangement2試驗(yàn)方案圖3起旋器內(nèi)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(yàn)裝置示意圖Fig.1Layoutchartofexperimentallaeililics3試驗(yàn)結(jié)果與分析起旋器的主要組成部分是導(dǎo)葉，試驗(yàn)時(shí)選用導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)參數(shù):導(dǎo)葉高度h=3.3cm,長度L=25cm,厚度3=0.5cm,片數(shù)=3片（等間距的布設(shè)在管壁周圍），導(dǎo)葉包角0'=15。.起旋器內(nèi)各測試斷面的位置以Sl/偵表示，其中/為從導(dǎo)葉始向3.1流速場特性研究起旋器內(nèi)部的流動(dòng)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(kuò)二專，妒=號(hào),/=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(shí),起旋器內(nèi)部不同測點(diǎn)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(dǎo)流片直段區(qū)域流速變化較小，導(dǎo)流片曲段區(qū)域流速變化較大,旦在導(dǎo)流條存在的區(qū)域，水流經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，越靠近圓管邊壁各流速變化越強(qiáng)烈;在相同半徑的柱面上，從3個(gè)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(dǎo)葉的宜段進(jìn)入,流經(jīng)導(dǎo)葉曲線段，在導(dǎo)葉的作用下，水流起旋形成螺旋流，而11隨著導(dǎo)葉的逐漸扭曲，水流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)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(xué)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(gè)流場的重要組成部分.因此從渦動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)來剛述起旋器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，nJ以更深刻的認(rèn)識(shí)起旋器內(nèi)部流體流動(dòng)的物理本質(zhì).圖7為雷諾數(shù)&=0.36x105時(shí)，利用surfer軟件得出的起旋器內(nèi)部各斷面的軸向渦昂:分布等值線圖.從中可以看出:在導(dǎo)葉的進(jìn)口，由于水流與導(dǎo)HI之間的相互作用，產(chǎn)生渦旋，繼而在扭曲的導(dǎo)葉和流體黏性的共同作用下，渦站不斷增加并向無導(dǎo)流片區(qū)域擴(kuò)散,結(jié)果形成了渦珀密集IX：.說明導(dǎo)葉的形狀對漩禍的形成和演化起主導(dǎo)作用.與流速的變化規(guī)律類似,導(dǎo)流片4線區(qū)域渦量變化較曲線區(qū)域小，而旦在有導(dǎo)流片的區(qū)域，越靠近圓管邊壁渦址變化越快，即離導(dǎo)流片區(qū)域越近，渦量

17、變化越快.由于圓管邊界和導(dǎo)葉的共同作用，使局部流場內(nèi)有小漩渦產(chǎn)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(shù)渦址動(dòng)力學(xué)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(zhì)雖力和表面力;P，。分別為流體密度和運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；V為哈密頓算子.由式可知，引起螺旋流渦量

18、產(chǎn)生和變化的主要是質(zhì)量:力、壓力梯度和黏性力3個(gè)要素，即螺旋流渦雖的產(chǎn)生和擴(kuò)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(dǎo)葉的起旋器中產(chǎn)生渦流，形成上述的渦量場特性，并使之隨時(shí)間和位置不斷發(fā)生變化其中在質(zhì)量力中最汞要的是無勢的外力(非保守力)，即科氏力.旋轉(zhuǎn)流體中單位質(zhì)量的科氏力為/x=-2toxv,(2)式中：s為旋轉(zhuǎn)流體的旋轉(zhuǎn)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(dòng)力學(xué)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(shù)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(shí)間;A為沿自轉(zhuǎn)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(xiǎn)s和Ek分別為羅斯比(Kossby)數(shù)和?？寺?Ekman)數(shù),其表達(dá)式為(5)(5)ROS=QL'-Q?從式(5)nJ以看出，羅斯比數(shù)是慣性力與科氏力的比值,?？寺鼣?shù)是黏性力與科氏力的比值.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(shù)與埃克曼數(shù)的大小與變化，來研究起旋器內(nèi)渦量場的性狀.由式(5)計(jì)算得到雷諾數(shù)屁=0.36x10時(shí)，斷而I,II,1H,IV中

20、心點(diǎn)的羅斯比數(shù)分別為:0.1360.0.4543.0.4495,0.4227；斷而】，U,m,IV中心點(diǎn)的?？寺鼣?shù)分別為：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(nèi)徑.可以看出，起旋器內(nèi)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(dǎo)葉時(shí)，旋轉(zhuǎn)較為擷烈.4結(jié)論1) 不同半徑的柱面上，導(dǎo)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(qiáng)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(nèi)水流在導(dǎo)葉的作用下產(chǎn)生螺旋流,并向無導(dǎo)流片區(qū)域擴(kuò)散

21、且逐漸衰減.2) 在導(dǎo)葉的進(jìn)口產(chǎn)生渦旋，繼而渦景不斷增加并向無導(dǎo)流片區(qū)域擴(kuò)散.形成了渦量密集區(qū);在有導(dǎo)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(shù)與埃克曼!數(shù)的大小，反映了渦量的大小與演化.起旋器內(nèi)螺旋流渦量場中Ros<Ek數(shù)的雖級為IO*10鄧，表明水流通過起旋器時(shí)旋轉(zhuǎn)較為強(qiáng)烈.參考文獻(xiàn)(References)1白丹.葉文宇，張建R等.虹吸式波涌管道灌溉技術(shù)的初步研究JL農(nóng)業(yè)【:程學(xué)報(bào).2006.22(1):179-181.BaiDan,YeWenyu,ZhangJianfeng,etal.PreliminaryresearchofsiphonsurgeHowirriga

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23、ingondemandJ.AgriculturalWaterManagement,2007,90(1/2)；36-44.4CalcjoMJ,LamaddalcnaN,TeixeiraJL,etal.Per-funnanceanalysisofpressurizedirrigationsystemsoperatingon-(Jeinandusingflow-drivensimulationnjodelsJ.AgriculturalWaterManagement,2008,95(2):154-162.5孫西歐，彭龍生.水平軸圓形邊界旋流中固粒的運(yùn)動(dòng)分析J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).1999,15(2):237

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