1、 年 月 第 卷 第 期 张港不同导叶高度起旋器出口断面水力特性张港，孙西欢，李永业，宋晓腾，鲁一凡，孙蕾（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；山西省自然科学基金资助项目（）第一作者简介：张港（），男，山西闻喜人，硕士研究生（），主要从事水力学与河流动力学研究通信作者简介：孙西欢（），男，山西临猗人，教授（），主要从事水力学与河流动力学研究摘要：针对不同导叶高度起旋器产生的螺旋流，以出口断面的流速和动量为参量研究螺旋流的产生效果 采用数值模拟与物理试验相结合的方法，从出口断面的速度云图、断面速
2、度分布区间、通过断面流体的动量、断面平均压强等方面，对不同导叶高度起旋器水力特性进行了研究 结果表明：随着导叶高度的增高，轴向流速相对低速区扩大，速度极值增大；径向流速影响区域扩大，径向速度值在 ；周向流速影响的环状区域面积沿径向扩大，极大值减小，但均值由 增大至 ，速度分布更加均匀，强度更大；通过出口断面流体的周向动量与轴向动量之比 由 增至 ，流量 对 影响很小 该研究为起旋器结构参数的选择提供了参考依据关键词：起旋器；螺旋流；导叶；水力特性；流速；动量中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：张港，孙西欢，李永业，等 不同导叶高度起旋器出口断面水力特性 排灌机械工程学报，（）：，（），（
3、）：，（），（，）：，排灌机械工程学报第 卷 ：；对于多沙河流，泥沙的大量淤积会减小水库库容，缩短水库使用寿命，影响坝体安全，因此，布设排沙管进行排沙输沙是十分必要的排沙管的输沙能力受水流的挟沙能力影响很大，而水流的挟沙能力又与管道内部水流的速度大小有关 相对于平直流输沙，螺旋流输沙时管道内水流既存在轴向流速，又存在周向和径向流速 流量相同时，螺旋流的水流速度大于平直流，挟沙能力更强、排沙耗水量更低 导叶片式起旋器是一种在管道内添加扭曲的导叶、以进水口与出水口的压力差为动力，从而产生螺旋流的装置 该装置不依靠额外的能量输入，是一种十分节能环保的水库排沙装置胡春宏 结合江河水沙变化，对“蓄清排浑
4、”方法在小浪底水库、三峡水库的运用提出优化和完善饶永超等 对水平管内螺旋流的流速分布和压降衰减规律进行了总结 曹文洪等 对涡管排沙的螺旋流流场进行了研究 李永业等 对起旋器内部和下游断面的流速场和涡量场特性进行了研究 等 对高雷诺数下的旋涡发生器所引起的涡旋衰减进行了研究 常晓巍等 基于试验用 对起旋器内部的流场进行测量 等 对螺旋桨式起旋器在有压管道内产生的螺旋流流动压降特性进行了研究 等 研究了三叶螺旋管产生的螺旋流在其内部和下游的速度分布 鲁一凡 结合数值模拟与试验，对带有导流条的圆柱系产生的螺旋流流速分布进行了研究 等 用数值模拟的方法对水轮机蜗壳内螺旋流的速度和压强进行了研究 等 对
5、螺旋容器内流体的流速压强分布进行了研究 等 对竖井溢洪道入口旋流水力特性进行了研究 等 用数值模拟方法研究了轴向导风向叶片旋涡器产生的涡流 等 对圆柱形水循环结构的流场特征和分布进行了研究 这些研究分析了不同螺旋流流速场特征，并从压降、阻力损失等方面对螺旋流的能量损失进行研究 然而导叶高度对起旋器产生螺旋流的影响仍缺乏相关研究文中用数值模拟与物理试验相结合的方法，研究不同导叶高度起旋器出口断面流速分布，并在此基础上对通过断面流体的动量进行求解，以期为进一步研究和工程应用提供理论依据 数值计算 起旋器结构参数起旋器结构参数如图 所示 导叶总长度 ，导叶直段长 ，曲段长 ，导叶包角 在选取起旋器导
6、叶高度 时，既不能过高，也不应过低，过高影响管道过流能力，过低时起旋效果不明显 在 倍管道半径区间内，等间距选取 为 ，的导叶进行研究图 起旋器结构及导叶参数（单位：）（：）模型建立及网格划分采用 建立起旋器模型和管道模型 部分，模型全长 起旋器安装于进口处，距离下游自由出流出口断面 ，计算模型及网格如图 所示图 计算模型及网格划分 第 期张港，等不同导叶高度起旋器出口断面水力特性采用 软件对模型网格划分，如图 ，所示 起旋器内部结构复杂，故采用非结构化四面体网格，最大网格尺寸 ，导叶表面网格 ，采用三角形结构的面网格对其进行加密；对上游、下游管段均用 型剖分结构化六面体网格加密，最大网格尺寸
7、 ；采用标准壁面函数法处理近壁区，壁面均设置边界层网格，第 层网格高度为 （其中 ，计算结果显示 设置合理），增长率为 ，共设置 层对网格尺寸进行网格无关性检验，如表 所示，表中 为不同导叶高度的起旋器在不同网格尺寸下生成的模型网格数量，为流量 时的进、出口断面平均压强之差 由表可以得出，与 的模型两断面平均压强之差的相对误差分别为 ，所以最大网格尺寸对计算结果没有影响表 网格数量及网格无关性验证 湍流模型及边界条件针对圆管螺旋流这类高雷诺数流动问题，用重整化群 模型（）进行求解 在 中，采用 模型计算高雷诺数流动问题时，用默认设置即可 模型为流速入口，按流量 ，换算出平均速度后设置；压力出口
8、设置为；各物理量残差设为 控制方程求解方法为 算法 基本控制方程）质量守恒方程（连续性方程）积分形式为 ，（）式中：为流体密度；为流体速度矢量；为微小曲面 的法向量 对不可压缩均质流体，密度 为常数，则有 ，（）式中：，分别为流体在 ，方向上的速度分量）动量守恒方程（运动方程）微分形式 ，（）式中：，分别为单位质量流体上的质量力在 个方向上的分量；，为流体内应力张量的分量 试验验证选取导叶高度 的起旋器进行模型试验，验证模拟结果的可靠性 试验系统包括 测速系统和水循环系统 测速系统包括激光发射器、示踪粒子、高速摄像机、软件、水槽，测速系统除水槽外均为 公司产品 采样频率为 ，激光波长为 ，示踪
9、粒子粒径为 水槽采用有机玻璃制作，以减小光折射影响 水循环系统 包括水箱、水泵、阀门、电磁流量计、管路、起旋器 图 为试验系统布置图图 试验系统布置图 对 时出口断面流速进行测量 试验测量的速度为 ，坐标系下的速度，将数值模拟结果的 ，坐标系下的速度值转化到试验坐标系下并进行对比 对比结果如图 所示，相对误差不超过 ，故模拟结果是可信的 排灌机械工程学报第 卷图 模拟结果验证 结果分析起旋器出口断面位于导叶后缘下游一倍管径，如图 所示 文中对起旋器出口断面轴向、径向和周向速度及动量进行分析 其中轴向速度以沿管轴线顺水流方向为正，逆水流方向为负；径向速度以背离管轴线为正，指向管轴线为负；周向速度
10、按右手螺旋定则，以大拇指指向水流轴向时四指指向方向为正，相反方向为负 动量的方向定义与相对应的流速方向定义相同 出口断面流速分析图 为流量 时不同导叶高度的起旋器出口断面轴向速度 分布云图 由计算结果可知，随着导叶的增高：起旋器生成螺旋流，轴向速度在出口断面存在 个低速区域，且该区域面积扩大，这是上游在起旋器内部对应位置有导叶存在导致的；轴向速度的极大值由 增至 图 起旋器出口断面轴向速度 分布云图 图 为起旋器出口断面径向速度 分布云图由计算结果可知：起旋器出口断面的径向速度是以管轴线为对称中心 呈对称分布的；由图可看出，随着导叶高度的增加，径向速度影响区域扩大；径向速度为正的区域与径向速度
11、为负的区域总是伴随出现的图 起旋器出口断面径向速度 分布云图 图 为出口断面周向速度 分布云图，由图可知：随着导叶高度的增加，断面内周向速度的极大值减小，极小值变化不明显，速度分布更加均匀；靠近管轴线附近存在为负值的区域，这与导叶内缘的流体绕流运动相关；靠近管道外壁的周向速度为正的环形区域沿径向扩大，管轴线附近为负的区域收缩；不同导叶高度的起旋器，出口断面同向速度分布有相似规律 第 期张港，等不同导叶高度起旋器出口断面水力特性图 起旋器出口断面周向速度 分布云图 图 为起旋器出口断面径向速度 和周向速度 小于横坐标速度的面积占断面总面积百分比 曲线 曲线越陡表明处在该速度区间上的面积占出口断面
12、总面积比例越大图 出口断面速度小于该速度值的面积占断面总面积百分比曲线 由图 可以看出：径向速度值分布在 ；径向速度极值的绝对值有增大趋势；径向速度值与 点的偏离程度增大，径向速度值处在 附近的面积变少，影响区域扩大；流体在断面内的径向混掺程度会增强，有利于流体挟沙 同时，一方面，周向速度 随着导叶高度的增加，极大值由 减小至 ，但均值由 增大至 ；另一方面，周向速度有更高比例的断面面积处在速度值更大的区间内，强度更大，周向速度分布更加集中；此外，各导叶高度的起旋器出口断面均存在较小比例的周向速度为负的面积，导叶高度越大时该面积比例越小 通过出口断面流体动量分析在起旋器起旋过程及泥沙输移过程中
13、有复杂的动量交换，文中对不同导叶起旋器通过出口断面的流体动量进行了计算 若单位时间内通过过水断面 的流量为 ，通过微小断面 的流量为 ，均质液体密度为 ，则单位时间内通过断面 的流体的轴向动量、径向动量、周向动量 可分别表示为 ，（）流量 ，下的，计算结果如图 所示图 单位时间内通过出口断面流体的各方向动量 由图 可得，随着导叶高度的增加，相同流量时，单位时间内通过出口断面流体的轴向动量无明 排灌机械工程学报第 卷显变化；单位时间内通过出口断面的流体径向动量远小于其他 个方向动量；导叶高度为 的起旋器与导叶高度为 的起旋器相比，通过出口断面流体的周向动量约提升了 倍 图 为不同流量下不同导叶高
14、度起旋器的 值，图中 为出口断面流体周向动量与轴向动量之比图 不同流量下不同导叶高度起旋器的 值 由图 可得：流量 变化时，同一导叶高度起旋器的 值变化不大，说明该值受流量影响很小；导叶高度由 增加为 时，值从 增大到 ，该值受起旋器导叶形状影响明显；随着导叶高度的增大，值增大变慢 结论）随着导叶高度的增大，轴向速度的极值增大，低流速区扩大；径向速度影响范围扩大，径向速度值在 ，正值区与负值区伴随出现；周向速度为正的靠近管壁的环形区域沿径向扩大，管轴 附 近 为 负 的 区 域 缩 小，断 面 速 度 均 值 由 增大至 ，分布更加均匀）通过出口断面流体的周向与轴向动量之比由 增大至 ，而流量
15、 变化对 影响不大 对于需要高强度螺旋流且上游压能充足的输沙管，可采用较高导叶高度的起旋器进行起旋参考文献（）胡春宏 我国多沙河流水库“蓄清排浑”运用方式的发展与实践 水利学报，（）：，（）：（）饶永超，梁俊，王树立，等 以叶轮起旋的气液两相螺旋流摩擦阻力特性实验研究 水动力学研究与进展，（）：，（）：（）曹文洪，刘春晶 水库淤积控制与功能恢复研究进展与展望 水利学报，（）：，（）：（）李永业，高远，贾晓萌，等 导叶片式旋流器下游断面螺旋流流速特性 排灌机械工程学报，（）：，（）：（），：常晓巍，李永业，李锦涛，等 基于 的旋流器内部流场测量方法及优化设计 自动化与仪器仪表，（）：，（）：（）
16、，（）：，（）：鲁一凡 平直管域内静止柱系螺旋流流速特性数值模拟 太原：太原理工大学，（）：（下转第 页）排灌机械工程学报第 卷（）魏文礼，蔡亚希，吕彬 氧化沟曝气转轮最优淹没深度的数值模拟研究 给水排水，（）：，（）：（），（）：邢普，邓志雄，许瑛 新型曲面叶轮倒伞型曝气机的充氧性能试验研究 机械设计与制造，（）：，（）：（）陈从平，何枝蔚，邓扬，等 射流曝气机内部流动三维数值模拟与关键结构参数分析 机械，（）：，（）：（），：，（）：，（）：朱荣生，李小龙，施卫东，等 潜水自引气曝气机的数值模拟与试验研究 排灌机械工程学报，（）：，（）：（），：（责任编辑朱漪云）檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨（上接第 页），（）：，（）：，（）：，：贾晓萌，孙西欢，李永业，等 有压管道内串列管道双车的运移速度 排灌机械工程学报，（）：，（）：（）（责任编辑朱漪云）