局部起旋器出口断面流场特性及其能耗的试验研究

摘要

圆管螺旋流为三维流动形式，其速度场可分解为轴向速度、切向速度和径向速度三个分量。其在工业上的应用十分广泛，如在射流技术、燃烧技术、气力输送及水力浮选等方面均采用了螺旋流。目前螺旋流在水利上用来进行排沙减淤，主要有以下三种方式：涡管排沙，漏斗排沙和平轴螺旋管流排沙。涡管排沙主要用来排除渠道底部推移质泥沙；漏斗排沙方式利用螺旋流的分离机理来排除渠道泥沙；平轴螺旋管流排沙是利用在管间加设导叶的方式产生螺旋流来输运泥沙。前两种排沙方式已经广泛应用于工程实践中，平轴螺旋管流排沙是近年提出的一种节能、高效的输沙方式，目前还处于试验研究阶段。 本文在试验的基础上，主要对局部起旋器产生的平轴圆管螺旋流的流场特性进行了探讨与研究，并对个别方案的流场进行了数值模拟。最后对起旋器的阻力特性进行了理论分析及试验研究。本文的研究内容和方法及主要结论如下： 1.本文进行了大量的试验研究，掌握了起旋器出口段圆管螺旋流的流场规律，即流速场的分布特性和压力分布规律如下。 流速场的轴向流速分布由平直流的对数分布逐渐向圆管螺旋流下的类对数分布过渡，沿着管轴向下游发展，表现更加明显。当流量增加时，轴向流速的最值区域向管壁处发展，轴向流速分布曲线向平坦化过渡。周向流速在测试断面具有旋转的对称性，若不考虑管壁近壁区的影响，可以认为周向流速在断面成线性分布，而且随着流量的增加，周向速度也在增加；由于管壁粘滞力的影响，周向流速的最大值不出现在管壁上，而是偏离管壁一定位置，且随着螺旋流的衰减而沿程衰减。径向速度有正有负，杂乱无章，无规律性。压力沿径向分布呈单调递增趋势；压强分布呈现中心低、边壁高的特点。 2.对局部起旋管段内的流场进行数值模拟：本文在以微分方程Navier-Stokes方程的基础上，采用布西内斯克假设，借用普朗特混合长理论确定涡粘性系数，建立了紊流模式的数学模型；利用有限差分法对柱坐标系下的方程进行了差分离散，建立了三维计算模型，并利用Gauss-Seidel迭代方法对其简化，最终得到起旋器出口断面的流场特性。将数模结果与试验结果进行了对比，两者基本吻合。 3.通过对起旋器的阻力损失进行了分析，推导出了其阻力系数公式。运用模型试验所得到的数据，计算出了十六种起旋器方案在不同流量下的阻力系数，然后对结果进行了对比并得出了结论。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

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第一章绪论

第二章起旋器试验系统与试验方案

第三章起旋器出口流场试验结果与分析

第四章起旋器出口断面流场的数值模拟

第五章起旋器能耗分析

第六章结束语

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目