管道缝隙螺旋流水力特性研究

管道列车水力输送是一种低能耗、无污染、运行平稳、安全可靠的管道水力输送新方法。管道缝隙螺旋流作为管道列车水力输送中的一种特有现象，对其水力特性进行研究，不仅有利于更好的分析管道列车水力输送的能耗及水力特性，而且更有利于该技术的推广应用。因此，本项目将对其水力特性进行研究，主要内容有：不同管道列车与管道间的环状缝隙宽度条件下的水力特性研究；管道列车车体间不同间隔缝隙长度条件下的水力特性研究；通过试验，分析管道列车运行速度、水流速度、输送荷载和能耗之间的关系，并进一步对管道列车的输送效率进行研究，寻求最优的管道列车水力输送技术参数；通过理论分析，建立管道缝隙螺旋流运动的数学模型，进行数值模拟，并进行试验验证。本项目的研究将丰富缝隙螺旋流理论及其应用，为管道列车水力输送的进一步技术问题研究提供依据。

管道列车水力输送是一种节能环保的管道水力输送新方法。本项目主要对管道列车水力输送中特有的管道缝隙螺旋流水力特性进行了研究。通过研究发现：不同环状缝隙宽度下，缝隙螺旋流的压力都沿程下降。同一断面缝隙螺旋流压力从管道列车外壁到管道外壁逐渐增大，而且环状缝隙宽度越小，压力分布就越密集，压力梯度变化就越大。当环状缝隙宽度为20mm时，断面轴向速度分布均匀性较好。周向速度在各环状缝隙宽度情况下均呈现分布不均匀性。管道列车的运行能耗随着环状缝隙宽度的增大呈现先减小后增大的趋势。说明管道列车运行的合理环状缝隙宽度在15cm左右。随着管道列车车体间距的增大，环隙螺旋流轴向速度的梯度逐渐变得均匀，轴向速度分布趋于稳定。在车体间距为50cm和80cm情况下，环隙螺旋流轴向流速从管道内壁到管道中心呈现逐渐增加趋势；而当车体间距为20cm时，环隙螺旋流轴向流速沿管道内壁到管道中心呈现不均匀变化的趋势。径向流速分布随着间距的增大，呈现先密集后稀疏的分布特征。车体间距为80cm和50cm的环隙断面径向流速分布较为相似，而车体间距为20cm的管道列车环隙断面径向流速分布与前两者有所区别，表明了车体间距的影响范围小于50cm。随着车体间距的增大，车间环隙断面周向流速分布的密集区域越来越明显。车体间距为20cm下，车间环隙断面周向速度分布最为均匀，流速梯度最小，车体间距为50cm的次之，车体间距为80cm最不均匀，流速梯度最大。不同车体车间距条件下管道内水流的压力分布基本一致，都是逐渐下降的，管道水流在经过前一个管道车时的压降比水流经过后一个管道车时的压降小。随着车体间距的增大，管道列车的运行能耗呈现先减小后增大的趋势，当车体间距为50cm时，运行能耗最小，其增幅亦最小；当车体间距为80cm时，运行能耗最大，且其增幅也最大。说明管道列车运行的最佳间距在35cm~50cm之间。通过理论分析与试验研究建立了管道缝隙螺旋流运动的数学模型，并对管道列车在不同环状缝隙宽度和不同管道列车车体间距下的动边界管道缝隙螺旋流进行了数值模拟，并进行了试验验证。验证发现模拟结果的流速分布变化趋势与试验所得到结果基本一致的，最大相对误差不超过8.6%。说明模拟结果是正确的。本项目的研究丰富了缝隙螺旋流理论及其应用，为管道列车水力输送的进一步技术问题研究提供依据。