筒裝料管道水力輸送概化模型-有限圓管域內(nèi)柱狀體繞流場(chǎng)特性研究.pdf

1、筒裝料管道水力輸送是在物流行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)的一種新型的物料輸運(yùn)方式，其具有節(jié)能、環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，該輸送方式的提出在一定程度上緩解了傳統(tǒng)物流業(yè)中能源消耗高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。
　　對(duì)該新型輸送方式開展的研究中，已經(jīng)在運(yùn)載體運(yùn)行條件、運(yùn)動(dòng)特性等方面取得了一定的研究成果，研究過(guò)程中，將管道車運(yùn)載體在管道內(nèi)運(yùn)行的全過(guò)程劃分為靜止（啟動(dòng)前或因故障停滯在某一位置）、啟動(dòng)、變速（含加速、減速）運(yùn)行及穩(wěn)定運(yùn)行等幾種狀態(tài)分別進(jìn)行探討。各狀態(tài)下，運(yùn)

2、載體的不同運(yùn)動(dòng)特性及管道壁面約束的雙重作用對(duì)水流產(chǎn)生不同的影響，而水流流場(chǎng)特性是決定該輸送方式運(yùn)輸效率的主要方面，因此對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)水力特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究是必需的，作為該研究體系的第一步研究，筆者將就管道車處于不運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的周圍流場(chǎng)特性進(jìn)行詳盡的研究。該狀態(tài)下，水流經(jīng)過(guò)管道車時(shí)形成的縫隙流動(dòng)主要呈現(xiàn)為沿圓柱形料筒母線的繞流運(yùn)動(dòng)，因此，為了便于開展研究的同時(shí)提高研究準(zhǔn)確性，建立了與管道車載體同型（包括結(jié)構(gòu)組成和各結(jié)構(gòu)尺寸）的柱狀體概化模型（

3、管道車料筒概化為柱狀體主圓柱，管道車支撐結(jié)構(gòu)概化為柱狀體附屬圓柱），從而使該問(wèn)題概化成為有限圓管域（主要指圓管內(nèi)徑有限）內(nèi)柱狀體形成的繞流流場(chǎng)特性研究問(wèn)題。
　　本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“管道列車水力輸送能耗研究”(51179116)和“動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性研究”(51109155)，采用理論分析，數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)有限圓管域內(nèi)柱狀體周圍形成的繞流場(chǎng)特性進(jìn)行分析和研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1

4、)針對(duì)柱狀體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，就其對(duì)平直管道內(nèi)水流產(chǎn)生的擾動(dòng)影響所引起的流型及速度分布變化進(jìn)行理論分析，對(duì)管流沿程壓力變化及能耗的產(chǎn)生進(jìn)行理論研究。
　　(2)采用FLUENT模擬軟件對(duì)不同雷諾數(shù)條件下，單柱體在平直圓管域內(nèi)形成的繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，采用數(shù)值結(jié)果分析了計(jì)算管域內(nèi)繞流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，主要分為:遠(yuǎn)離柱狀體的流動(dòng)符合圓管紊流速度對(duì)數(shù)分布形態(tài);柱狀體上游阻水范圍內(nèi)為低速高壓區(qū);主圓柱周圍環(huán)隙空間為高速低壓區(qū);柱后尾流中，臨近柱狀體下游存

5、在低速核心區(qū)，水流紊動(dòng)劇烈，之后隨水流逐漸減弱。此外，流場(chǎng)各特征空間內(nèi)三方向速度分布、壓力分布、渦量及柱體受力系數(shù)等特性均得到了詳細(xì)的分析和描述，并在其中結(jié)合了對(duì)柱狀體繞流流動(dòng)機(jī)理的論述。
　　(3)基于數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)不同影響因素（柱型及管徑）條件下的流場(chǎng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同因素對(duì)該圓管域繞流場(chǎng)特性的影響作用，表現(xiàn)為:主圓柱長(zhǎng)度的變化不改變軸向速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)，附屬圓柱直徑的增大會(huì)減小柱狀體后低速核心區(qū)范圍，這兩個(gè)因素對(duì)柱狀體

6、表面壓力分布影響較弱，且小幅影響系統(tǒng)阻力系數(shù)指標(biāo);增大主圓柱直徑引起柱后低速核心區(qū)范圍及系統(tǒng)阻力系數(shù)指標(biāo)的明顯增大;管道直徑的增大會(huì)明顯減小環(huán)隙高速區(qū)沿水流方向的發(fā)展長(zhǎng)度及系統(tǒng)阻力系數(shù)指標(biāo)值;主圓柱直徑和管道內(nèi)徑是影響管域內(nèi)壓力及環(huán)隙進(jìn)口位置處X、Y-速度分布的主要因素。
　　(4)以無(wú)量綱分析及數(shù)值模擬結(jié)果得到了柱狀體上、下游水體受強(qiáng)擾動(dòng)影響范圍的估測(cè)方法，通過(guò)擬合得到了該強(qiáng)擾動(dòng)影響范圍系數(shù)與流量間的估算關(guān)系;同時(shí)，擬合得到強(qiáng)擾

7、動(dòng)范圍內(nèi)水流擾動(dòng)能耗與流量間為乘冪相關(guān)關(guān)系。
　　(5)對(duì)單柱體情況下的柱狀體形成的同心環(huán)隙繞流結(jié)構(gòu)中，主圓柱周圍環(huán)隙與柱狀體上、下游一定范圍內(nèi)的滿管流空間內(nèi)的速度分布，以及柱狀體所在特征管段的壓降特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示在柱狀體上游測(cè)試斷面內(nèi)，阻水作用導(dǎo)致斷面中心位置處速度值略低于周圍，管壁粘滯作用導(dǎo)致近壁位置處速度值較小;下游滿管空間內(nèi)，隨水流運(yùn)行，斷面內(nèi)速度等值分布演變?yōu)閮?nèi)大外小的簡(jiǎn)單分布，且速度梯度漸小。