平直管域内静止柱系螺旋流流速特性数值模拟

摘要

筒装料管道水力输送作为一种新型的物料运输方式，不仅兼具无污染、低能耗、占地小、运输隐蔽等优点，缓解了传统交通运输方式高能耗、高排放、污染严重等缺点所带来的问题，还在一定程度上，缓解了传统运输方式的运输压力。本文结合国家自然科学基金项目“管道列车水力输送能耗研究（51179116）”、“管道缝隙螺旋流水力特性研究（51109155）”和山西省自然科学基金项目“筒装料管道水力输送下的同心环状缝隙螺旋流水力特性研究（2015011067 ）”，采用物理试验与数值模拟相结合的方法，使用AutoCAD对带导流条管道车进行了概化建模，使用ICEM CFD对计算域网格进行了划分，并使用 ANSYS FLUENT 对不同几何参数下概化柱系的水流速度特性进行了三维数值模拟研究，论文选取了主圆柱直径和长度以及导流条长度、高度、角度等五个控制因素，对不同几何参数静止柱系在平直管域内产生的绕流速度特性进行了研究。取得的研究结论如下： （1）上游水流轴向速度受上游支撑体及密封盖影响较大，距离密封盖越近，水流变化幅度越大，密封盖及支撑体形成L形结构使密封盖凸起左端水流获得较大周向速度。 （2）环状缝隙螺旋流主要受上游支撑体、密封盖以及环状缝隙中导流条尺寸和主圆柱长度及直径的影响。支撑体与密封盖对水流的作用主要是阻挡水流并在其后的环隙流域内形成尾涡，主圆柱直径越大，尾涡对环隙流的影响越小。导流条的主要作用是将轴向速度转化为周向速度，同时水流越过导流条迎水面向背水面流动会将轴向速度转化为径向速度和周向速度，并在导流条背水面形成旋流。导流条迎水面水流轴向流速沿程减少，周向及径向速度沿程增加明显。导流条迎水面及背水面三维速度的变化幅度与导流条角度、高度和主圆柱直径呈正相关关系，与导流条长度及主圆柱长度呈负相关关系。 （3）柱系下游水流主要受导流条、主圆柱尺寸和下游支撑体及密封盖影响，随着距柱系距离越远，下游水流受柱系影响越小，并逐渐接近无柱系时的满管水流流态。柱系下游中轴线水流轴向速度呈先减小后增大的趋势，并在一定距离后速度达到断面平均流速，轴向水流影响域长度受主圆柱直径影响明显，主圆柱直径越大，所需距离越大；中轴线周向流速先增大后减小，径向流速先增大后减小再增大。周向及径向流速变化幅度与导流条角度、高度、长度及主圆柱长度和直径均呈正相关关系，并且在支撑体所在位置会产生较大的波动。 本文的研究结果对进一步研究管道车柱系螺旋流速度特性具有重要参考价值，对进一步探究管道车运移时的水流变化机理有重要意义，并为柱系数值模拟提供了可行的建模及网格划分方法。

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