平轴螺旋管流中的泥沙起旋(张羽, 彭龙生,李昭峰)

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平轴螺旋管流中泥沙起旋

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张 羽1, 彭龙生1李昭峰2
#vuR!}k:d01.太原理工大学 建筑与环境工程学院;2.山西省水利勘测设计院)

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摘要:通过对水平轴圆管螺旋流水力特性的试验研究,以及对不同粒径组泥沙在局部起旋器产生沿程衰减螺旋流中不同运动状态的观察和量测及分析研究,探讨了泥沙由推移转变成“旋移”所要求的水力条件,为研究螺旋流高浓度输送提供了一定的技术指标。

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关键词:螺旋流;泥沙;起旋流速水利论文&q;V/N,n.k} a

基金项目国家自然科学基金资助项目(59779009):螺旋流中的泥沙运动特性研究。水利论文%K#z8H-lu/e8}6I4C

作者简介:张羽(1970-),男,硕士,太原理工大学助教。

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在一般细沙天然河道的泥沙输移过程中,悬移质输沙量的比重大大超过推移质输沙量。因此,要提高输沙量,可通过增加输移中的悬移质含量来实现。根据紊动扩散理论,泥沙之所以能“悬浮”于水体中,是由于水流的紊动作用;紊动作用是依靠流速的加大而加强。对一般的直流输移,要想提高浓度,唯一的方法是使断面泥沙分布趋于均匀,这样势必要加大流速,增加能耗。另外,紊动扩散作用的前提是泥沙的不均匀分布,那么要提高输移浓度,势必造成高能坡,从而导致输移效率低下。

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管道螺旋流输送固体物料作为一种新型的输送方法,有着普通平直流无法比拟的优点。螺旋流可定义为流线呈螺旋线状的流动。在水平轴管道中增设一定高度和长度的扭曲的导流片,并使其叶面切线与轴线成一定角度(叶片安放角),这样因管流边界发生改变而产生了圆管螺旋流,从而改变了传统管道输送的水流运动状态。在固粒输送过程中增加了切向水流对固粒的作用。平轴螺旋管流可分解为强制涡与轴向平直流,前者对固粒起“旋浮”作用,使本来静止的泥沙转变为“旋移质”,在切向流速和轴向流速的共同作用下,固粒运动轨迹呈螺旋线状[1];而在投影横断面上,不同粒径的固粒沿各自的同心圆作圆周运动[2]。这样在螺旋流场作用下,固粒分布较直流更均匀,在切向分速一定的条件下(切向分速大于固粒的起旋速度),更为容易地增加断面浓度;后者对固粒起输移作用。这样将“旋浮”与输移分开,可大大降低输送速度,降低能耗,从而实现螺旋管流在低能坡下的高浓度输移。水利论文7Tq"O$Ny;A

在管道中增设一定结构参数(导流片长、高、安放角和叶片个数)的导流片,会增加管道的能耗。试验证明:管径D=14.8cm,叶片高h=5cm,叶片安放角α=20°的螺旋流管道在相同流量下比相同管径的平直流能耗增加1.78倍,而在输送相同浓度的泥沙时,平直流的流速是螺旋流轴向流速的3倍多,而能耗为螺旋流的6倍多[3],因此,利用螺旋流可实现低能耗输送。水利论文YE O6[7k@ |

1 清水螺旋流的特性水利论文#G#nv'SlZ%Fs0f/j} C

产生螺旋管流有沿程起旋和局部起旋两种方式。沿程起旋将导流片布置在圆管上半部分,这样在一定流量下,螺旋流强度可保持不变,即最大切向分速和平均切向分速沿程均保持不变。局部起旋是集中在管段某一部位上加设几片导流片,而后仍为一般圆管。这样,在一定流量下,由于管壁的磨擦,使沿程各断面切向流速逐渐衰减,即螺旋流强度逐渐减小。沿程起旋和局部起旋装置如图1、2所示。

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针对沿程起旋和局部起旋的两种螺旋流方式,试验均能测得断面流速分布情况。试验采用自循环系统,试验装置由旋流管,沉沙箱,混沙器,溢流管及泵组成;旋流管全长19m,其可与局部起旋管路互换。从8个流量级下的沿程起旋方式的试验分析可以看出,不同流量下断面切向流速沿管径呈直线分布,轴向流速几近相同[4]。对于局部起旋,试验针对6种起旋方案(以导流片长、导流片高、导流片安放角、导流片数的不同组合)4个流量级下运用5孔测针对不同断面的流速分布进行了测试,结果表明:起旋器后不同位置断面切向流速分布主流区几乎呈直线分布;随着流量的增加,相应测试位置处切向流速增加(即旋转角速度在增加)。距起旋器出口越远的断面,相应流量下的最大切向流速在逐渐减小[5],但断面切向流速沿管径仍呈直线分布,只是断面最大切向流速与轴向平均流速的夹角逐渐减小,即计算偏角(断面最大切向流速与轴向平均流速的夹角)逐渐减小[6],试验确定,在同一方案不同流量条件下,同一位置的计算偏角不发生变化,即计算偏角仅是起旋叶片参数的函数,而与流量无关。

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1 沿程起旋装置
g\ Sa j Z,|.Q| Y0Fig.1 Rotating equipment along the longitudinal direction
2 局部起旋装置
z!f CZ_0Fig.2 Local rotating equipment

因本试验装置中,导流片的安放角(叶片上外侧边任一点的切线方向与管轴线的夹角)是固定的,即局部起旋器出口断面最大切向流速与轴向流速的夹角一定,对于颗粒级配一定的泥沙,在此条件下,已全部“旋浮”,不可能测得其在螺旋管流条件下的各自的起旋流速。随着旋流强度的衰减,断面最大切向流速逐渐减小,某一位置处,泥沙恰好“起旋”,而由推移质转化为“旋移质”,进入主流区作圆周运动。这样使断面“旋移质”含量增多,从而提高了断面泥沙含量。本试验目的即为测出不同粒径组的泥沙的起旋流速,为运用螺旋管流进行工程输沙提供必要技术资料。水利论文:~0\o;@Uc/W6j

2 螺旋管流中的散粒体泥沙的起动

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2.1 螺旋管流中泥沙运动分析水利论文 w:mt~.T1Fp5Ny

在局部起旋的螺旋管流中,泥沙运动的形式大致可分为:1、全部“旋浮”;2、贴壁推移;3、斜位沙波;4、部分淤积。这是在不同流量情况下沿程均能观察到的几个现象。在一定流量下,不管切向流速沿程如何变化,轴向平均流速沿程不变,因此,上述四种现象均可以认为是由切向速度沿程不同而引起的。

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螺旋管流的斜位沙波和部分淤积现象发生在距离起旋器较远的部位。此段旋流强度较低,不足以使泥沙沿管壁向上移动而成为贴壁移动,轴向流速不足以推移全部泥沙,逐渐由沙波趋向于部分淤积。另外,斜位沙波的产生是由于切向流速的作用。切向流速与轴向流速共同作用,使泥沙沿管壁斜侧面作沙波运动。贴壁推移发生在斜位沙波的上游,此段切向分速虽有一定的强度,但仍不足以将泥沙上推至与管轴线水平的位置。此时,泥沙被推至管壁一定高度处,达到动力平衡,即切向流速使泥沙沿管壁保持一定的高度,并在轴向流速的作用下,泥沙沿管壁推移。全部“旋浮”发生在起旋器出口至发生贴壁推移现象之间的一段。此段旋流强度较大,切向分速足以将泥沙推至与管轴线水平的位置,从而使泥沙进入主流区,并作螺旋运动。泥沙在螺旋流条件下的投影横断面运动情况是,各颗粒沿各自同心圆做圆周运动,其轨迹方程可描述为y2+(x-A)2=c[2]。这样泥沙由旋流作用而“旋浮”,进入主流形成“旋移质”。泥沙旋移的特性和轨迹方程均能说明泥沙的断面分布,其断面分布远比平直流均匀[7]。因此,以此种方式输移泥沙可大幅度提高断面浓度,提高效率。

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2.2 螺旋流中泥沙颗粒的受力分析水利论文].A B1qdYn+{'Zn3iC

在平轴螺旋管流中,泥沙颗粒在切向流速的作用下沿管壁面作向上推移运动。泥沙运动所受的力主要是切向流速的拖曳力FD、径向升力FL,泥沙的有效重力W,泥沙与固壁之间的磨擦力Ff及管壁对泥沙的支持力FN[5],如图3所示。

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其中

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3 泥沙运动受力分析
O-|&j8cSf0Fig.3 Analysis on forces acting on the sediment particle
FD=CDa1d2γuθ2/2g(1)
FL=CLa2d2γuθ2/2g(2)
W=a3s-γ)d3(3)

式中CD,CL分别为推移力及上举力系数;a1,a2,a3为垂直于切向流速方向及径向的沙粒面积系数和体积系数;d为泥沙粒径;γ为流体重度;γs为泥沙重度;uθ为作用于泥沙上的切向分速。泥沙的有效重力W可分解为切向分力Wθ和径向分力Wr;Wθ=Wsinθ,Wr=Wcosθ;由径向力的平衡得水利论文f(\ BR _8\

FN+FL-Wr=0

(4a)水利论文l|4c0{&a Q(r2o J

FN=Wr-FL

(4b)水利论文g:z+Ct(J

若令f为泥沙与管壁间的磨擦系数,则磨擦力Ff可表示为:Ff=f·FN=f(Wr-FL)。若泥沙在切向流速作用下恰好为贴壁推移上升到一定高度h后达到动力平衡态。则此时在流量保持一定的情况下,泥沙在轴向流速的作用下推移前进。考虑泥沙在切向方向仍保持一种动态的平衡,即切线方向上泥沙亦达到动力平衡,其平衡关系为

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FD-Wθ-Ff=0水利论文,R N7P6Zz7?bR!_

(4c)

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将各量代入上式整理得

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(5)水利论文 Jx/xB*g{#od

k1=2a3(sinθ+fcosθ)/cDa1+fcLa2水利论文+_;I ?*j0A(]

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当泥沙上升到与管轴线水平的位置时,即θ=90°时,sinθ=1,cosθ=0,k1=2a3/cDa1+fcLa2此时泥沙达到起旋的临界状态,上式即为泥沙在螺旋流中达到“旋移”时要求的临界水力条件。

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2.3 泥沙的起旋水利论文 z%C4[[J-S8H

本组试验是对小于200目至40目的泥沙进行起动试验研究,试验泥沙分为九组,每相隔20目为一组,分组情况见表1。试验在D=14.8cm的自循环管路系统中进行,测试段为局部起旋器出口断面后的8m长直管段。试验中观察到,越粗的泥沙越不易起旋,因此,为了达到所有泥沙均起旋,形成“旋移质”,则只需将本组中最粗粒径的泥沙起旋即可,此时所有泥沙均形成“旋移质”,达到运用螺旋流高浓度输移泥沙的状态。

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  泥沙在管壁处由切向流速作用而上升,进而成为“旋移质”,最大切向流速作为一特征流速与作用于泥沙的切向流速有一定的联系。因此研究泥沙的起旋所对应的流速是最大切向流速。经对5个流量工况下,D=14.8cm局部起旋旋流管的5个不同断面的研究发现,最大切向流速基本上发生在距离轴线7cm的测点处,5个断面上的最大切向流速沿程逐渐减小,即旋流强度沿程衰减。分析在不同流量下,各测试断面的计算偏角aC,发现计算偏角aC不随流量的变化而变化,在起旋器结构一定的情况下,aC沿程衰减[6],其衰减情况如图4所示。
4 螺旋流沿程衰减情况
Q3R0m,w0P3[Av0Fig.4 The longitudinal decay of the spiral flow

在一定的起旋方案条件下,aC不随流量变化,只是管轴距离的函数,那么在某一位置aC固定,则可由下式求得此处切向流速的最大值,即

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ac=arctg(uθ·m/Vz)(6)
Vz=Q/A(7)
  在结构一定的情况下,研究泥沙起旋时,最大切向流速uθ·m为一特征量,作用于泥沙起旋的切向流速uθ与uθ·m存在一定的联系。根据图5实测切向流速分布可知,若流量较小,泥沙较细。作用于泥沙的uθ与Uθ·m存在一定的比例关系;同样,若流量较大、泥沙粒径较粗,作用于泥沙的uθ为主流区某点的流速,它也与uθ·m存在一定的比例关系,因此可作如下假设。

uθ·m=k2·uθ

3o)J4Jemf5m6\t/v0水利论文9_ri-x4i%[

则由式(5)得水利论文m\bt4E

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5 实测切向流速水利论文6d$U-_Fi#O+C@;nv
Fig.5 Measured shear velocity

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(8)

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2.4 泥沙起旋试验研究水利论文B]*d nW%_v t

试验针对9#~1#沙进行起动研究发现,uθ·m随泥沙粒径的增加有增大的趋势(见表1)。

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1 泥沙粒径、沉速与最大切向流速的关系(t=25℃)水利论文(rZm&KIYW1\l

Table 1 Relationship between sediment radius settling velocity and the maxium shear velocity

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筛孔孔径(目)≤200≤180≤160≤140≤120≤100≤80≤60≤40

d(mm)0.0740.0800.0900.1050.1200.1470.1890.1680.433
ω(cm·s-1)0.3440.4490.5670.7582.7601.4522.2613.6186.295
uθ·m(cm·s-1)6.937.497.868.489.179.6511.0313.3117.09
k4.014.344.254.244.333.923.984.094.17
平均值4.15

63组起动流速试验资料,测定了距零点的起旋距离,从图4查得计算偏角aC,由式(6)、(7)求得对应流量下的最大切向流速如表1所示。由式(8)求得不同粒径的泥沙对应的起旋流速(即最大切向流速)时k值如表1所示。计算发现,k值几乎为一常数。水利论文 {a%O9b y0?c v3}m

3 结论

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由试验可知:综合系数均值约为4.15,它不随泥沙粒径的变化而变化,因此在实际运用螺旋管流输沙时,可根据输移泥沙的最大粒径d95来设计导流片,使其能产生足够大的切向分速,使泥沙很容易地“旋移”,从而提高输送浓度和效率。

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对比旋流段(即旋流强度衰减段)与直流段,在一定泥沙量的条件下,有切向分速的旋流段往往不发生淤积,而直流段已淤较大部分。这也能说明切向分速对泥沙起动的影响较大,即运用螺旋管流能使泥沙更容易起动。

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对于一定粒径的泥沙,当旋流强度(或切向分速)达到一定值时,泥沙能够全部起旋,在保证一定旋流强度的条件下,调整起旋器结构参数,使在一定流量下输送一定量的泥沙时轴向流速降为最低,这样就可以大幅度降低能耗,达到低能坡输送的目的。水利论文4^6]ND&u2l@/K

参 考 文 献水利论文 KI`X1J ML

[1] 彭龙生,刘春晶,卢准炜等.水平管螺旋流中的固粒迹线.第十三届水动力学研讨会文集.北京:海洋出版社,1999:163~168.水利论文`0^_J-[0F \~

[2] Peng Longsheng.Track of Grain in the Forced Vortex with Horizontal Axis.太原工业大学学报,1997,28(增):114~117.

,F w;K.T9U0

[3] 刘春晶.挟沙平轴螺旋管流的初步研究。太原理工大学[硕士学位论文],2000.

/zn2w,}LK0

[4] 张羽,张仙娥,彭龙生等。平轴螺旋管流中断面流速分布试验研究。太原理工大学报,2000,31(5):494~497.水利论文h5zI"M n:LG(_

[5] 孙西欢。水平轴圆管螺旋流水力特性及固粒悬浮机理试验研究。西安理工大学[博士学位论文],2000.水利论文7| P;CP"H6{+IzK

[6] 彭龙生,张羽,卢准炜。螺旋管流的阻力损失。中国水力学2000会议论文集。四川大学出版社,259~270.

~![WN^ Njn0

[7] 彭龙生,卢准炜。平轴旋流中均匀悬粒质量沿极限轨迹圆半径的分布。太原理工大学学报,1998,29(2):114~117.水利论文 wSBu!it:Q

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