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水平轴圆管螺旋流水力特性及固粒悬浮机理试验研究

孙西欢  
【摘要】:圆管螺旋流输沙是新近提出的一种输沙方式。本文就圆管螺旋流的产生方式,水 力特性及固粒在水平轴旋转流场中的悬浮机理进行了理论分析和大量的试验研究,其 主要的研究内容和结论如下: 1.圆管螺旋流起旋方式试验研究。本文对局部起旋方式进行了研究,研究表明: 起旋器的结构参数对圆管螺旋流的产生有着重要影响,其结构参数包括起旋器直径、 长度、导叶数、导叶高度和导叶包角;起旋器出口断面的轴向流速分布呈类对数型,其 比平直流流速分布更均匀;起旋器出口断面的周向流速几乎呈直线分布,起旋器出口 断面的周向旋转角速度随着通过流量的增大而增大,且与起旋器结构参数有关,起旋 器出口断面压强分布为旋转抛物面,其与该断面水流旋转角速度的平方成正比,管中 心压强最小而管壁处压强最大。 2.起旋器的阻力特性及起旋效率研究。研究表明:水流经过起旋器时,其压能损 失由两部分构成,一部分为阻力损失,另一部分则转化为出口断面的旋转动能;本文所 导出的起旋器的阻力损失表达形式与平直流的达西公式相同,但其阻力系数λq与平 直流的阻力系数λ不同,λq包含了λ及起旋器结构参数等因子,且当起旋器内无导叶 时λq=λ;要提高起旋效率,则必须减小阻力损失,增大水流旋转角速度。 3.水平轴圆管螺旋流水力特性试验研究。研究表明:水平轴圆管螺旋流断面轴向 流速分布亦呈类对数分布,但其流速分布的均匀化程度介于起旋器出口断面轴向流速 分布和平直流流速分布之间,若某断面距起旋器出口愈远,其均匀化程度愈接近平直 流;水平轴圆管螺旋流断面周向流速分布沿径向几乎呈线性分布,其断面旋转角速度 沿程呈负指数衰减;水平轴圆管螺旋流两断面间的水头损失等于两断面管壁处测压管 水头之差,其也等于轴向运动水头损失和周向运动水头损失之和,文中还讨论了水平 轴圆管螺旋流的能坡及螺旋流的长度。 4.水平轴圆管螺旋流中固粒的悬浮机理研究。研究表明:固粒由推移状态进入悬 浮状态的标准是固粒在周向水流的作用下推移上升而位于管道断面的水平轴上;通过 力学分析得到了旋转水流条件与固粒推移上升高度的关系及固粒进入悬浮状态的水 流条件等表达式;讨论了水平轴圆管螺旋流中固粒的悬浮机理及周向水流运动对于固 粒悬浮的特殊作用。 5.水平轴有界旋转流场中固粒运动轨迹的试验研究。研究表明:当水流旋转角速 度较小时,固粒处于非悬浮状态,其运动特征是固粒处于圆管断面水平轴下方管壁附近 的一个相对平衡区内运动,相对平衡区距管底的平均高度与固粒粒径及水流旋转角速度 有关;固粒的起动流速及临界旋浮流速与固粒的粒径和重率系数有关,还分别与综合运 动参数C_2 C_1有关,固粒在水平轴有界旋转流场中悬浮运动的轨迹为一缺圆形,其圆心 位置和半径受固粒粒径、沉速、流场边界半径和水流旋转角速度等因素的影响。


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