張春晉，孫西歡,2※，李永業(yè)，張學(xué)琴

?

筒裝料管道水力輸送動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性數(shù)值模擬

張春晉1，孫西歡1,2※，李永業(yè)1，張學(xué)琴3

（1. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2. 晉中學(xué)院，晉中 030600；3. 章丘黃河河務(wù)局，濟(jì)南 250200）

針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品長(zhǎng)距離輸送中存在的運(yùn)輸效率低和輸送成本高等問(wèn)題，提出了一種具有應(yīng)用前景的農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)輸方式—筒裝料管道水力輸送技術(shù)。該文基于Fluent軟件，采用RNG-湍流模型、6DoF耦合模型以及PISO算法對(duì)動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同環(huán)狀縫隙寬度對(duì)動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流場(chǎng)水力特性的影響。同時(shí)，對(duì)不同環(huán)狀縫隙寬度條件下管道車在平直管道的運(yùn)移進(jìn)行模型試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，最大相對(duì)誤差不超過(guò)5.3%；動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流中管道靜邊界區(qū)域壓強(qiáng)呈現(xiàn)出進(jìn)口區(qū)域壓強(qiáng)降低，中間區(qū)域壓強(qiáng)升高以及出口區(qū)域壓強(qiáng)再次急劇降低的變化趨勢(shì)；動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性不僅受到管道車動(dòng)邊界結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，而且還受到管道車動(dòng)邊界上、下游管道內(nèi)部流場(chǎng)的影響。該研究不僅完善了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的相關(guān)理論，而且為進(jìn)一步探究筒裝料管道水力輸送中動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性提供了一種切實(shí)可行的研究手段。

CFD; 壓強(qiáng)；流速；筒裝料管道水力輸送；環(huán)狀縫隙流；水力特性；管道車

0 引 言

目前，中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中存在著運(yùn)輸效率低與輸送成本高等問(wèn)題。針對(duì)上述弊端，本文提出了一種適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸農(nóng)產(chǎn)品的新型農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)輸方式—筒裝料管道水力輸送技術(shù)。筒裝料管道水力輸送技術(shù)的原理是將農(nóng)產(chǎn)品盛裝并密封在圓柱狀的管道車內(nèi)部，并借助流體的推力實(shí)現(xiàn)管道車在有壓管道內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸[1]。該技術(shù)憑借其輸送效率高、環(huán)境污染小以及運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)逐漸發(fā)展成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒煌ㄟ\(yùn)輸方式[2]。動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性是筒裝料管道水力輸送的一個(gè)重要研究方向，該項(xiàng)研究一方面可以完善動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的相關(guān)理論，另一方面也促進(jìn)了管道車的動(dòng)力學(xué)機(jī)理特性的研究。為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)筒裝料管道水力輸送的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流展開了大量的研究。

目前，對(duì)于筒裝料管道水力輸送動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流主要采取了理論分析與模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究思路。理論分析方面：Kroonenberg[3]建立了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的數(shù)學(xué)模型，研究了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的平均流速、動(dòng)邊界運(yùn)移速度以及環(huán)狀縫隙流壓降三者之間的關(guān)系。Sud等[4]采用紊流關(guān)系與Von Karman相似性假設(shè)，分析了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域內(nèi)部充分發(fā)展的紊流模型。Azouz等[5]提出了一種用于求解動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域內(nèi)部牛頓流體、非牛頓流體以及減阻流體等水力特性的單層渦流黏度模型。Khalil等[6]采用3種紊流模型分析了二維求解模型條件下動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流沿程壓降以及環(huán)形縫隙流斷面軸向流速的分布規(guī)律。Polderman等[7-8]結(jié)合牛頓內(nèi)摩擦定理，得出了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙內(nèi)部潤(rùn)滑流體的運(yùn)動(dòng)微分方程。Tomita等[9]提出了3種不連續(xù)動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域的繞流模型，并且采用特征線法求解了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性。Ulusarslan等[10]采用量綱分析法預(yù)測(cè)了球狀載體列車近壁面區(qū)域環(huán)狀縫隙流的流體雷諾數(shù)與壁面摩擦阻力之間的變化關(guān)系。李永業(yè)等[11]假設(shè)環(huán)狀縫隙流動(dòng)工況為恒定流，并且提出了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域內(nèi)沿管道直徑方向的軸向流速分布計(jì)算公式。許賢良等[12]結(jié)合黏性流體力學(xué)N-S方程，分析了同心環(huán)狀縫隙區(qū)域的壓降與流量之間的方程。上述理論分析中所建立的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流數(shù)學(xué)模型均忽略了動(dòng)邊界的運(yùn)移阻力以及動(dòng)邊界上、下游端部對(duì)環(huán)狀縫隙流水力特性的影響。模型試驗(yàn)方面：Yanaida[13]結(jié)合圓柱狀和球狀結(jié)構(gòu)的載體，對(duì)比分析了在同心與非同心的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域內(nèi)部層流和紊流的流動(dòng)特性。張雪蘭等[14-15]探討了3個(gè)典型的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙斷面的壓強(qiáng)與流速的分布特性。井元昊等[16]比較了不同管道雷諾數(shù)條件下動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙斷面的3維流速分布規(guī)律，為進(jìn)一步選擇最佳的管道輸送雷諾數(shù)提供了重要的理論基礎(chǔ)。孫蕾等[17]研究了管道車車中斷面位置處的環(huán)狀縫隙流場(chǎng)的徑向流速與壓強(qiáng)的分布規(guī)律。楊小妮等[18]結(jié)合封閉容器水力輸送技術(shù)和螺旋流水力輸送技術(shù)的相關(guān)思想，探究了動(dòng)邊界起旋器在運(yùn)移過(guò)程中管道流場(chǎng)的水力特性。張琪琦等[19]采用模型試驗(yàn)的方法，對(duì)不同流量及環(huán)隙比條件下繞流圓柱體所形成的環(huán)隙流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。模型試驗(yàn)雖然考慮了動(dòng)邊界上、下游端部對(duì)環(huán)狀縫隙流水力特性的影響，但是測(cè)量中受到流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜、環(huán)狀縫隙狹窄以及試驗(yàn)儀器落后等諸多因素的限制，使得試驗(yàn)結(jié)果不能全面反映動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流場(chǎng)的水力特性。

數(shù)值模擬具有計(jì)算成本低與運(yùn)算效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高以及計(jì)算流體力學(xué)軟件（computational fluid dynamics，CFD）研發(fā)技術(shù)的日益成熟，數(shù)值模擬已廣泛用于求解多種復(fù)雜的水力學(xué)問(wèn)題[20]。

本文的研究目的是采用Fluent 12.0軟件對(duì)不同環(huán)狀縫隙寬度條件下筒裝料管道水力輸送技術(shù)中動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，既完善了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的相關(guān)理論，又為進(jìn)一步研究筒裝料管道水力力輸送的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性提供了一種切實(shí)可行的研究手段。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)與管道車結(jié)構(gòu)

為了更好地驗(yàn)證Fluent數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，本文對(duì)不同環(huán)狀縫隙寬度條件下筒裝料管道水力輸送的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)平臺(tái)位于太原理工大學(xué)的水流試驗(yàn)大廳，試驗(yàn)平臺(tái)是由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置、輸送裝置以及投放與回收裝置4個(gè)部分所組成[17]，試驗(yàn)平臺(tái)布置如圖1所示。動(dòng)力裝置包括離心泵與水箱，其中水箱內(nèi)部采用密度為1.05 g/cm3，且熔點(diǎn)為240℃的Polystyrene材質(zhì)的示蹤粒子。調(diào)節(jié)裝置是由渦流流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥以及管道車制動(dòng)裝置3部分所組成。輸送裝置為有機(jī)玻璃圓形管道，管道全長(zhǎng)為28.62 m，管道內(nèi)徑為100 mm，管道壁厚為5 mm，而且不同管段之間采用圓形有機(jī)玻璃法蘭密封連接。在有機(jī)玻璃管道內(nèi)距管道車制動(dòng)裝置7.2 m的位置處布置了水槽，主要是用來(lái)防止激光在管道流場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生折射。投放與回收裝置為管道車投放口、PVC穩(wěn)流板以及塑料集車箱3個(gè)部分[14]。試驗(yàn)過(guò)程中，先通過(guò)離心泵將水流從水箱抽至鋼管段，再通過(guò)渦流流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥對(duì)管道流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨后將水流注入有機(jī)玻璃管道。待管道內(nèi)水流流動(dòng)穩(wěn)定，再將管道車通過(guò)投放口注入到試驗(yàn)輸送管道系統(tǒng)，管道車在流體的作用下沿管道長(zhǎng)距離運(yùn)輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)測(cè)試斷面設(shè)定位置時(shí)，對(duì)流場(chǎng)的水力特性進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。運(yùn)移結(jié)束后，管道車將到達(dá)塑料集車箱離開試驗(yàn)管道系統(tǒng)，此時(shí)管道內(nèi)的流體將再次流回水箱。上述過(guò)程將形成一個(gè)閉合的循環(huán)系統(tǒng)[21]。

注：1#表示試驗(yàn)測(cè)試段進(jìn)口斷面，2#～4#表示3個(gè)試驗(yàn)測(cè)試斷面，5#表示試驗(yàn)測(cè)試段出口斷面。

管道車結(jié)構(gòu)由料筒、支撐體及萬(wàn)向滾珠3部分所組成[2]。料筒為密閉的空心圓柱體結(jié)構(gòu)。支撐體呈120°角等間隔呈放射狀安裝在管道車料筒的前后端面位置，該結(jié)構(gòu)可以使管道車在管道內(nèi)保持同心運(yùn)動(dòng)，從而提高管道車在管道內(nèi)運(yùn)移的穩(wěn)定性。萬(wàn)向滾珠安裝在靠近管道壁面處的支撐體的末端位置，可以有效地減小管道車與輸送管道之間的摩擦阻力，在一定程度上起到了節(jié)能的目的[11]。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析

采用美國(guó)TSI公司的多普勒激光流速儀（laser doppler velocimeter，LDV，）和江蘇揚(yáng)泰光電公司的毫秒光電計(jì)時(shí)器（millisecond photoelectric timing device，PTD）協(xié)同測(cè)定動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的3維流速分布。采用蘇州軒勝儀表公司的壓力傳感器與成都泰斯特電子公司的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)采集系統(tǒng)測(cè)量了動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流管道壁面的沿程壓強(qiáng)分布。日本活圖隆公司的高速攝像機(jī)測(cè)量管道車在試驗(yàn)測(cè)試段任意位置的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度。各試驗(yàn)測(cè)量裝置如圖1所示。

用Microsoft Office Excel 2013對(duì)試驗(yàn)測(cè)量得到的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域的流速和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且采用 Suffer 11.0、Origin 9.0、SPSS 21.0等軟件對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 試驗(yàn)方案與測(cè)點(diǎn)布置

筒裝料管道水力輸送動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的幾何參數(shù)包括管道輸送流量、管道車荷載、環(huán)狀縫隙長(zhǎng)度與環(huán)狀縫隙寬度等[22]。本文選擇了4種動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙寬度作為主控制因子，即0.025、0.02、0.015以及0.01 m，環(huán)狀縫隙長(zhǎng)度為0.1 m，管道車荷載為800 g，管道內(nèi)部輸送流量為50 m3/h。根據(jù)動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙的寬度值，本文所選擇的管道車的料筒直徑對(duì)應(yīng)為0.05、0.06、0.07以及0.08 m，管道車料筒長(zhǎng)度為0.1 m。

動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域的邊界包括管道車動(dòng)邊界與管道靜邊界2部分。本文所研究的管道車動(dòng)邊界對(duì)管道車的真實(shí)邊界進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，管道車動(dòng)邊界是指管道車圓柱側(cè)壁面，不包括管道車支撐體和萬(wàn)向滾珠。管道靜邊界為管道車料筒動(dòng)邊界所對(duì)應(yīng)的管道壁面局部區(qū)域。根據(jù)本文對(duì)環(huán)狀縫隙區(qū)域邊界的定義，可以得到動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域的整體結(jié)構(gòu)為環(huán)形柱狀體。

本文的試驗(yàn)測(cè)試段位于管道試驗(yàn)平臺(tái)平直管段的中間位置，全長(zhǎng)為5.8 m，其距離下游平彎管段的進(jìn)口斷面為2.7 m，且距離上游的管道車制動(dòng)裝置為4.7 m。試驗(yàn)測(cè)量時(shí)環(huán)狀縫隙區(qū)域的中心距管道車的制動(dòng)裝置為7.2 m，如圖1所示。

注：1￠～7￠表示7個(gè)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)位置，2#～4#表示3個(gè)流速測(cè)試斷面。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程與紊流模型

將流體假設(shè)為不可壓縮的黏性流體，則時(shí)均連續(xù)方程和Reynolds方程[23]如下：

RNG-紊流模型對(duì)于分離流、二次流以及旋流等復(fù)雜的流場(chǎng)計(jì)算具有顯著的優(yōu)勢(shì)[24]，為此本文采用了由Yakhot和Orzag所提出的RNG-紊流模型對(duì)筒裝料管道水力輸送技術(shù)中動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性進(jìn)行計(jì)算。RNG-紊流模型中湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)耗散率方程[25]如下：

。

計(jì)算環(huán)境壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，流體密度為 1 000 kg/m3，流體動(dòng)力黏度為0.001 031 9 Pa·s，計(jì)算中考慮重力對(duì)管道流體的影響。

2.2 幾何模型創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分

本文采用Gambit 2.4.6軟件創(chuàng)建了筒裝料管道水力輸送動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的幾何模型。幾何模型是由管道車與平直輸送管道2部分所組成，幾何模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：AB表示幾何模型的進(jìn)口斷面，CD表示幾何模型的出口斷面，E表示管道車模型。

平直輸送管道幾何模型的全長(zhǎng)為5.8 m，模型直徑為0.1 m，該模型與圖1中試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)測(cè)試段完全一致。為了提高數(shù)值模擬的計(jì)算準(zhǔn)確度，本文將平直輸送管道又分成了3個(gè)直管段部分，進(jìn)口管段0.5 m（考慮到紊流的充分發(fā)展）、運(yùn)動(dòng)管段4.8 m（管道車中心的運(yùn)移長(zhǎng)度）以及出口管段0.5 m（考慮到管道車動(dòng)邊界運(yùn)移對(duì)幾何模型出口壓力的影響）[26]。管道車幾何模型與管道車實(shí)體模型一致，管道車料筒直徑分別為0.05、0.06、0.07以及0.08 m，管道車料筒長(zhǎng)度為0.1 m。管道車支撐體結(jié)構(gòu)是由細(xì)圓柱體、薄六面體所組成，支撐體直徑為0.01 m，支撐體高度為0.02 m，薄六面體的尺寸為0.01 m′0.015 m′0.001 m。萬(wàn)向滾珠的結(jié)構(gòu)為半球形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)安裝在靠近平直輸送管道的一側(cè)的支撐體末端。本文以幾何模型進(jìn)口邊界的中心作為幾何模型的坐標(biāo)原點(diǎn)，為此管道車運(yùn)移的初始位置中心坐標(biāo)為（0.0 m，0.0 m，0.5 m）。

考慮到管道車外觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文采用了非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行了體網(wǎng)格加密。一般而言，計(jì)算域的內(nèi)部網(wǎng)格劃分的尺寸越小，其計(jì)算結(jié)果就越精確，但是計(jì)算量將會(huì)增大。為了獲得理想的體網(wǎng)格尺寸，本文對(duì)4種動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙寬度的幾何模型計(jì)算域的內(nèi)部體網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)[27]，如表1所示。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

注：表示動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙寬度。

Note:represents width of cyclical slit flow with moving boundary.

根據(jù)表1的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果，可以得出由0.003 m體網(wǎng)格尺寸與0.004 m體網(wǎng)格尺寸所計(jì)算得到的4種環(huán)狀縫隙寬度條件下管道車動(dòng)邊界平均運(yùn)移速度的相對(duì)誤差分別不超過(guò)0.32%、0.11%、0.14%和0.21%。當(dāng)體網(wǎng)格尺寸小于0.004 m時(shí)，體網(wǎng)格尺寸對(duì)于管道車動(dòng)邊界平均運(yùn)移速度的影響效果基本可以忽略不計(jì)。為此，在綜合考慮計(jì)算機(jī)計(jì)算效率以及流場(chǎng)求解精度的前提下，本文選擇的幾何模型體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 0.004 m。為了提高輸送管道和管道車的近壁面區(qū)域流場(chǎng)的計(jì)算精度，本文還采用邊界層加密與局部面網(wǎng)格加密相結(jié)合的輔助加密方法?？紤]到管道車動(dòng)邊界支撐體結(jié)構(gòu)，管道車壁面的局部面網(wǎng)格劃分為三角形結(jié)構(gòu)，其具體尺寸為0.001 m。圖4是以料筒直徑為0.06 m的管道車為例，對(duì)管道車動(dòng)邊界在初始時(shí)刻的幾何模型計(jì)算域進(jìn)行的網(wǎng)格劃分。

圖4 動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流幾何模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 邊界條件與數(shù)值計(jì)算

Fluent數(shù)值模擬中所設(shè)定的邊界條件如下：

1）如圖1所示，幾何模型進(jìn)口邊界對(duì)應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試段的1#斷面，進(jìn)口邊界（）選擇流速入口（velocity-inlet）邊界條件，其中紊流參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)行計(jì)算求解。幾何模型輸送管道的流量為50 m3/h，實(shí)測(cè)流體水溫19℃，根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式得到管道雷諾數(shù)為171 367，該數(shù)值大于2 320，因此得到管道內(nèi)為紊流工況。其他紊流參數(shù)包括湍流強(qiáng)度為0.035 5，湍流動(dòng)能為0.005 9 m2/s2，湍流耗散率為0.010 6 m2/s3。為了提高幾何模型的求解精度，模擬時(shí)根據(jù)該斷面實(shí)際測(cè)量的3維流速，編寫了相應(yīng)的UDF（User-Defined Function）函數(shù)對(duì)幾何模型進(jìn)口邊界的3維流速分布進(jìn)行了定義。

2）如圖1所示，幾何模型出口斷面對(duì)應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試段的5#斷面，出口邊界（）選擇壓力出口（pressure-outlet）邊界條件，采用該斷面的壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值對(duì)幾何模型的出口邊界處的壓強(qiáng)進(jìn)行設(shè)置，本文中出口斷面的壓強(qiáng)值為8.1 kPa。

3）平直輸送管道邊界（、）采用無(wú)滑移邊界條件，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法[28]進(jìn)行處理。

為了提高動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的計(jì)算精度，本文還對(duì)于管道車動(dòng)邊界作出了如下的處理：

3）管道車在輸送管道幾何模型起始位置的初始運(yùn)移速度采用高速攝像機(jī)對(duì)管道車在該斷面處的瞬時(shí)速度的實(shí)測(cè)值進(jìn)行定義。

本文采用PISO速度—壓強(qiáng)耦合算法，該耦合算法對(duì)流場(chǎng)中的壓強(qiáng)場(chǎng)進(jìn)行2次校正，提高了瞬態(tài)流場(chǎng)的求解精度。由于控制方程各項(xiàng)的離散格式精度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，為此本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上合理的選擇了控制方程各項(xiàng)的離散格式[32]。為了減少數(shù)值擴(kuò)散，計(jì)算過(guò)程中，Reynolds方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)耗散率方程中的對(duì)流項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)離散格式，時(shí)均連續(xù)性方程中的壓力項(xiàng)選擇PRESTO！離散格式。本文非穩(wěn)態(tài)模擬采用時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s，并且控制方程各項(xiàng)的離散格式收斂殘差設(shè)置為10-4。

3 結(jié)果與分析

3.1 管道車動(dòng)邊界運(yùn)移速度模擬與驗(yàn)證

圖5為不同環(huán)狀縫隙寬度條件下，管道車動(dòng)邊界在平直管段內(nèi)部運(yùn)移過(guò)程中瞬時(shí)速度的模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)照?qǐng)D。

圖5 管道車動(dòng)邊界瞬時(shí)運(yùn)移速度的模擬值與試驗(yàn)值

從圖5中可以得到：

1）模擬值與試驗(yàn)值一致，相對(duì)誤差不超過(guò)1.3%。

2）管道車動(dòng)邊界在運(yùn)移過(guò)程中瞬時(shí)運(yùn)移速度基本圍繞某一恒定速度以微小的幅度波動(dòng)變化，可以認(rèn)為管道車動(dòng)邊界在平直管段內(nèi)的運(yùn)移為恒定運(yùn)動(dòng)。

3）管道車動(dòng)邊界瞬時(shí)速度呈無(wú)規(guī)則變化趨勢(shì)。原因是流體脈動(dòng)壓強(qiáng)的無(wú)規(guī)則波動(dòng)將引起管道內(nèi)部流體對(duì)管道車動(dòng)邊界的瞬時(shí)荷載產(chǎn)生波動(dòng)變化，從而引起管道車動(dòng)邊界的瞬時(shí)加速度發(fā)生變化。

4）隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，管道車動(dòng)邊界的平均運(yùn)移速度將逐漸增大。原因是環(huán)狀縫隙寬度越小，表明管道車料筒直徑越大，管道車動(dòng)邊界受到的流體的作用力越大，因此平均運(yùn)移速度也就越大。

由于管道車動(dòng)邊界在平直管段的運(yùn)移為恒定運(yùn)動(dòng)，因此可以近似將動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流視為恒定流，即動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域的流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化。為此，不需要研究管道車動(dòng)邊界在不同運(yùn)動(dòng)位置時(shí)的環(huán)狀縫隙流水力特性，可以研究某一個(gè)典型瞬時(shí)運(yùn)移位置即可。因此，本文著重選擇了環(huán)狀縫隙中心距管道車制動(dòng)裝置7.2 m位置處的環(huán)狀縫隙流，從而進(jìn)一步分析動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性。

3.2 環(huán)狀縫隙流平均軸向速度模擬結(jié)果與驗(yàn)證

圖6為不同環(huán)狀縫隙寬度條件下，動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的平均軸向流速模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)照?qǐng)D。從圖6中可以得到：1）模擬值與試驗(yàn)值基本一致，最大相對(duì)誤差不超過(guò)0.52%。2）當(dāng)動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙寬度為0.015 m時(shí)，動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的平均軸向流速將達(dá)到最小。原因是動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的平均軸向流速為環(huán)狀縫隙斷面流量與環(huán)狀縫隙斷面面積之間的比值。當(dāng)環(huán)狀縫隙寬度小于0.015 m時(shí)，管道車動(dòng)邊界運(yùn)移速度的降低幅度較大，引起了環(huán)狀縫隙斷面流量的變化率大于環(huán)狀縫隙斷面面積的變化率，使得動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的平均軸向流速呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)狀縫隙寬度大于0.015 m時(shí)，管道車動(dòng)邊界運(yùn)移速度的變化幅度較小，引起環(huán)狀縫隙流量的變化率小于環(huán)狀縫隙斷面面積的變化率，使得動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的平均軸向流速將呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖6 不同環(huán)狀縫隙寬度下動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流軸向流速模擬與試驗(yàn)值

3.3 壓強(qiáng)模擬結(jié)果與驗(yàn)證

圖7為不同環(huán)狀縫隙寬度條件下，管道車動(dòng)邊界中心位置運(yùn)移到距幾何模型進(jìn)口斷面2.5 m位置時(shí)的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域管道靜邊界壁面處沿程壓強(qiáng)的模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)照?qǐng)D。

圖7 不同寬度環(huán)狀縫隙寬度下管道靜邊界壁面處沿程壓強(qiáng)模擬值與試驗(yàn)值

從圖7中可以得到：

1）模擬值與試驗(yàn)值基本一致，最大相對(duì)誤差不超過(guò)1.3%。

2）動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域管道靜邊界沿程壓強(qiáng)呈現(xiàn)出進(jìn)口區(qū)域壓強(qiáng)降低，中部區(qū)域壓強(qiáng)升高，出口區(qū)域壓強(qiáng)急劇降低的變化趨勢(shì)。原因是在環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域，管道車動(dòng)邊界的“直角凸起”引起環(huán)狀縫隙流產(chǎn)生了邊界層分離，而下游流體隨即填補(bǔ)空腔區(qū)域，形成了旋渦能耗損失。在環(huán)狀縫隙中部區(qū)域，環(huán)狀縫隙流的發(fā)展逐漸穩(wěn)定，引起環(huán)狀縫隙的中間區(qū)域壓強(qiáng)逐漸回升。在環(huán)狀縫隙出口區(qū)域，環(huán)狀縫隙流與管道車下游流體發(fā)生相互作用，導(dǎo)致環(huán)狀縫隙流將能量傳遞給管道車下游流體，使得動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙區(qū)域的流體壓強(qiáng)急劇降低。

3）隨著動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙寬度的減小，環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域壓降幅度逐漸減小。原因是當(dāng)環(huán)狀縫隙寬度大于0.015 m時(shí)，隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，環(huán)狀縫隙流軸向流速降低，引起環(huán)狀縫隙流所形成的邊界層分離區(qū)域減小，進(jìn)而導(dǎo)致了旋渦能耗損失也隨之減小。而當(dāng)環(huán)狀縫隙寬度小于0.015 m時(shí)，環(huán)狀縫隙流將無(wú)法形成明顯的邊界層分離，使得該區(qū)域所產(chǎn)生了較小的旋渦能耗損失?？傮w分析，隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域的壓降幅度將減小。

4）隨著動(dòng)邊界縫隙寬度的逐漸減小，環(huán)狀縫隙流中部區(qū)域的壓強(qiáng)明顯增加。原因是動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙中部壓強(qiáng)反映了斷面下游區(qū)域的管道車局部水頭損失與管道車下游流體的沿程水頭損失之和。隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流出口區(qū)域所引起的局部水頭損失將逐漸增加，使得環(huán)狀縫隙流中部斷面區(qū)域壓強(qiáng)將逐漸增大。

圖8為不同環(huán)狀縫隙寬度條件下，管道車動(dòng)邊界中心位置運(yùn)移到距幾何模型進(jìn)口斷面處2.5 m位置時(shí)管道車動(dòng)邊界水平斷面處壓強(qiáng)分布圖。

從圖8中可以得到：

1）從管道車動(dòng)邊界的上游流場(chǎng)過(guò)渡到環(huán)狀縫隙區(qū)域過(guò)程中壓強(qiáng)將明顯降低。原因是環(huán)狀縫隙區(qū)域內(nèi)的流體平均流速高于管道內(nèi)平均流速，由此環(huán)狀縫隙區(qū)域的壓強(qiáng)降低。

2）管道車動(dòng)邊界的下游流場(chǎng)存在明顯的低壓區(qū)，并且低壓區(qū)的下游流場(chǎng)壓強(qiáng)又再次升高。原因是環(huán)狀縫隙出口處的邊界層分離引起管道車動(dòng)邊界下游出現(xiàn)了旋渦損失，使得管道車動(dòng)邊界近壁面處壓強(qiáng)逐漸降低。同時(shí)環(huán)狀縫隙流與下游流體發(fā)生碰撞，該過(guò)程不但存在能量耗散還存在能量轉(zhuǎn)化，即流體將能量傳遞給下游流體，因此下游流體的壓強(qiáng)出現(xiàn)了再次升高的現(xiàn)象。

3）動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域的管道車動(dòng)邊界近壁面出現(xiàn)了明顯的局部低壓區(qū)。原因是由于管道車動(dòng)邊界表面存在“直角凸起”，使得環(huán)狀縫隙流在管道車動(dòng)邊界近壁面產(chǎn)生了邊界層分離。流體離開管道車動(dòng)邊界，下游流體隨即回填空腔區(qū)域，該區(qū)域形成旋渦損失，從而導(dǎo)致了管道車動(dòng)邊界近壁面形成局部低壓區(qū)。

4）環(huán)狀縫隙中部區(qū)域壓強(qiáng)分布沿徑向基本一致，且管道車動(dòng)邊界近壁面區(qū)域壓強(qiáng)略高于管道靜邊界近壁面區(qū)域壓強(qiáng)。原因是在動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙的進(jìn)口區(qū)域，環(huán)狀縫隙流體產(chǎn)生了邊界層分離現(xiàn)象。隨后流體進(jìn)入環(huán)狀縫隙的中部區(qū)域向管道車動(dòng)邊界方向進(jìn)行擴(kuò)散，環(huán)狀縫隙流與管道車動(dòng)邊界產(chǎn)生相互作用，引起流體的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，從而導(dǎo)致管道車動(dòng)邊界近壁面區(qū)域壓強(qiáng)略高于管道靜邊界近壁面壓強(qiáng)。但是由于流體的擴(kuò)散角度一般較小，使得動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙的中部流場(chǎng)區(qū)域壓強(qiáng)基本一致。

5）在環(huán)狀縫隙流出口位置的流場(chǎng)區(qū)域，整體壓強(qiáng)急劇降低。原因是環(huán)狀縫隙流向管道車下游流場(chǎng)擴(kuò)散過(guò)程中，環(huán)狀縫隙流與管道車下游流體發(fā)生相互作用，環(huán)狀縫隙流將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為下游流體的壓能，引起環(huán)狀縫隙流的局部能耗損失。并且環(huán)狀縫隙流在縫隙區(qū)域也產(chǎn)生了沿程水頭損失，兩者的共同作用促使環(huán)狀縫隙的出口區(qū)域的整體壓強(qiáng)急劇降低。

6）在環(huán)狀縫隙流出口區(qū)域管道靜邊界的近壁面壓強(qiáng)較低。原因是動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流向管道車下游流場(chǎng)擴(kuò)散的方向是從管道壁面指向管道圓心，因此管道靜邊界近壁面區(qū)域流體的壓強(qiáng)較小。

注：a~d圖中，左為上游，右為下游；e~h圖中，上邊界為管道靜邊界，下邊界為管道車動(dòng)邊界。下同。

3.4 流速模擬結(jié)果與驗(yàn)證

圖9為不同環(huán)狀縫隙寬度條件下，管道車動(dòng)邊界中心位置運(yùn)移到距幾何模型進(jìn)口斷面處2.5 m位置時(shí)動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙2#、3#以及4#環(huán)狀縫隙斷面水平徑向位置處軸向流速分布模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)照?qǐng)D。

從圖9中可以得到：

1）模擬值與試驗(yàn)值基本一致，最大相對(duì)誤差不超過(guò)5.3%。

2）在動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流場(chǎng)的2#斷面處，管道車動(dòng)邊界近壁面的軸向流速呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。原因是環(huán)狀縫隙流在管道車動(dòng)邊界的“直角突起”處產(chǎn)生了邊界層分離現(xiàn)象，環(huán)狀縫隙流離開管道車動(dòng)邊界向下游進(jìn)行擴(kuò)散，下游流體向上游方向流動(dòng)回填空腔區(qū)域，使得該區(qū)域出現(xiàn)了明顯的低流速區(qū)。

圖9 不同寬度環(huán)狀縫隙區(qū)域的各斷面水平徑向位置處軸向流速分布模擬值與試驗(yàn)值

3）動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙的2#斷面位置處，隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，斷面中間區(qū)域的軸向流速將從指數(shù)分布轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞€型分布。原因是由于流體的黏滯性作用，環(huán)狀縫隙流在近壁面區(qū)域呈現(xiàn)出與邊界相同的運(yùn)移速度，而在遠(yuǎn)離邊界的區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)出相同的軸向流速分布。隨著環(huán)狀縫隙寬度的逐漸減小，引起環(huán)狀縫隙區(qū)域僅存在近壁面區(qū)域的流場(chǎng)，從而使得在狹窄的環(huán)狀縫隙寬度條件下形成的斷面軸向流速將表現(xiàn)為拋物線形分布。

4）動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙的3#斷面和4#斷面處軸向流速分布基本一致。原因?yàn)樵诃h(huán)狀縫隙區(qū)域的3#斷面和4#斷面的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流進(jìn)入了穩(wěn)定發(fā)展的階段，從管道車動(dòng)邊界到管道靜邊界的軸向流速沿徑向呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。

圖10為不同環(huán)狀縫隙寬度條件下，管道車動(dòng)邊界中心位置運(yùn)移到距幾何模型進(jìn)口斷面處2.5 m位置時(shí)管道車動(dòng)邊界水平斷面處軸向流速分布圖。

圖10 不同環(huán)狀縫隙寬度條件下管道車動(dòng)邊界水平斷面處軸向流速分布

從圖10中可以得到：

1）從管道車動(dòng)邊界的上游流場(chǎng)過(guò)渡到環(huán)狀縫隙區(qū)域的過(guò)程中軸向流速將逐漸升高。原因是環(huán)狀縫隙區(qū)域內(nèi)的流體平均流速均高于管道內(nèi)平均流速。

2）管道車動(dòng)邊界的下游流場(chǎng)存在明顯的低軸向流速區(qū)，而管道車動(dòng)邊界下游管道近壁面區(qū)域出現(xiàn)了明顯的高流速區(qū)。原因是環(huán)狀縫隙流在管道內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程中與下游流體發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致動(dòng)邊界下游流場(chǎng)的出現(xiàn)了局部回流。局部回流在管道車動(dòng)邊界的作用下向管道近壁面區(qū)域進(jìn)行高速擴(kuò)散，引起了動(dòng)邊界下游流場(chǎng)管道近壁面區(qū)域的軸向流速增加。

3）環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域的動(dòng)邊界近壁面存在明顯的低流速區(qū)。原因是管道車上游流體進(jìn)入環(huán)狀縫隙區(qū)域時(shí)，在管道車動(dòng)邊界的“直角凸起”處產(chǎn)生了邊界層分離現(xiàn)象。環(huán)狀縫隙流與管道車動(dòng)邊界發(fā)生分離，下游流體隨即回流填補(bǔ)主流所空出的流場(chǎng)區(qū)域，使得在管道車動(dòng)邊界的近壁面區(qū)域形成了局部低流速區(qū)。

4）環(huán)狀縫隙寬度越大，環(huán)狀縫隙流的軸向流速分布越均勻。原因是環(huán)狀縫隙寬度越大，管道車動(dòng)邊界對(duì)環(huán)狀縫隙流場(chǎng)的影響也越小，因此環(huán)狀縫隙區(qū)域的軸向流速分布也越均勻。

5）隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，動(dòng)邊界近壁面所形成的低流速區(qū)的范圍逐漸減小，且該區(qū)域逐漸偏向環(huán)狀縫隙的進(jìn)口區(qū)域。原因是當(dāng)環(huán)狀縫隙寬度大于0.015 m時(shí)，隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小，環(huán)狀縫隙流的平均流速也逐漸減小，從而引起管道車動(dòng)邊界產(chǎn)生的邊界層分離程度降低，進(jìn)而導(dǎo)致管道車動(dòng)邊界近壁面所形成的低流速區(qū)面積減小。當(dāng)環(huán)狀縫隙寬度小于0.015 m時(shí)，環(huán)狀縫隙區(qū)域無(wú)法形成明顯的邊界層分離，因此動(dòng)邊界近壁面低流速區(qū)的范圍也較小。總體分析，管道車動(dòng)邊界所形成的低流速區(qū)范圍將隨著環(huán)狀縫隙寬度的減小呈現(xiàn)逐漸變小的變化趨勢(shì)，并偏向環(huán)狀縫隙的進(jìn)口區(qū)域。

6）管道車動(dòng)邊界對(duì)環(huán)狀縫隙區(qū)域的進(jìn)口處軸向流速的影響范圍約為0.02 m，管道車動(dòng)邊界對(duì)環(huán)狀縫隙出口處的軸向流速的影響較小。因此，對(duì)于動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流軸向流速的研究?jī)H需要考慮進(jìn)口區(qū)域的影響。

4 結(jié) 論

本文采用Fluent 12.0軟件對(duì)不同環(huán)狀縫隙寬度條件下筒裝料管道水力輸送的動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究。結(jié)論如下：

1）模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且最大相對(duì)誤差不超過(guò)5.3%，研究表明采用數(shù)值模擬的研究方法分析筒裝料管道水力輸送技術(shù)中動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性是可行的。

2）動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流中管道靜邊界壓強(qiáng)呈現(xiàn)出了進(jìn)口區(qū)域壓強(qiáng)降低，中部區(qū)域壓強(qiáng)升高，出口區(qū)域壓強(qiáng)再次急劇降低的變化趨勢(shì)，并且管道車動(dòng)邊界的近壁面壓強(qiáng)值略高于管道靜邊界的近壁面壓強(qiáng)值。

3）隨著環(huán)狀縫隙寬度的逐漸增大，環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域動(dòng)邊界近壁面所形成的低流速區(qū)的范圍逐漸增大。并且隨著環(huán)狀縫隙寬度的逐漸增大，環(huán)狀縫隙進(jìn)口區(qū)域壓降幅度將逐漸增大，而環(huán)狀縫隙流中間區(qū)域的壓強(qiáng)將明顯降低。

4）動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流的水力特性不僅受到管道車動(dòng)邊界相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，而且還受到動(dòng)邊界上、下游管道流場(chǎng)的影響。

[1] 張春晉. 不同直徑的管道車在平直管段內(nèi)運(yùn)移時(shí)的水力特性模擬研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2015. Zhang Chunjin. The Simulation Resrarch on Hydraulic Characteristics of Moving Piped Carriage with Different Diameter at Horizontal Pipeline[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2015. (in Chinese with English abstract)

[2] 李永業(yè)，孫西歡，延耀興. 管道車不同荷重時(shí)筒裝料管道水力輸送特性[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(12)：93－96. Li Yongye, Sun Xihuan, Yan Yaoxing. Hydraulic characteristics of tube-contained raw material hydraulic transportation under the different loads on the piped carriage[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(12): 93－96. (in Chinese with English abstract)

[3] Kroonenberg H H. Mathematical model for concentric horizontal capsule transport[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1978, 56(5): 538－543.

[4] Sud I, Chaddock J B. Drag calculations for vehicles in very long tubes from turbulent flow theory[J]. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 1981, 103(2): 361－366.

[5] Azouz I, Shirazi S A. Numerical simulation of drag reducing turbulent flow in annular conduits[J]. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 1997, 119(4): 838－846.

[6] Khalil M F, Kassab S Z, Adam I G, et al. Turbulent flow around single concentric long capsule in a pipe[J]. Applied Mathematical Modelling, 2010, 34(8): 2000－2017.

[7] Polderman H G, Velraeds G, Knol W. Turbulent lubrication flow in an annular channel[J]. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 1986, 108(2): 185－192.

[8] Polderman H G. Design rules for hydraulic capsule transport systems[J]. Journal of pipelines, 1982, 3(2): 123－136.

[9] Tomita Y, Okubo T, Funatsu K, et al. Freight Pipelines: Proceedings of the 6th International Symposium on Freight Pipelines[M]. New York: Hemisphere Public Corporation, 1990: 273—278.

[10] Ulusarslan D, Teke I. Relation between the friction coefficient and re number for spherical capsule train-water flow in horizontal pipes[J]. Particulate Science and Technology, 2009, 27(5): 488－495.

[11] 李永業(yè)，孫西歡，李飛，等. 動(dòng)邊界同心環(huán)狀縫隙流研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，43(3)：230－234. Li Yongye, Sun Xihuan, Li Fei, et al. Cyclical slit flow of concentricity under the moving boundary condition[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 43(3): 230－234. (in Chinese with English abstract)

[12] 許賢良，朱兵，張軍，等. 同心環(huán)形縫隙流理論研究[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，24(3)：40－42. Xu Xianliang, Zhu Bing, Zhang Jun, et al. The research of the concentric ring slit flow[J]. Journal of Anhui University of Science and Technology: Natural science, 2004, 24(3): 40－42. (in Chinese with English abstract)

[13] Yanaida K. Drag coefficient of capsules in turbulent flow inside a vertical pipe[J]. Journal of Pipelines, 1987, 6(3): 297－306.

[14] 張雪蘭，孫西歡，李永業(yè). 筒裝料管道水力輸送環(huán)隙流場(chǎng)特性試驗(yàn)研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，33(2)：75－78. Zhang Xuelan, Sun Xihuan, Li Yongye. Annulus flow field characteristics of the barreled material pipe hydraulic transportation[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science, 2014, 33(2): 75－78. (in Chinese with English abstract)

[15] Zhang Xuelan, Sun Xihuan, Li Yongye. 3-D numerical investigation of the wall-bounded concentric annulus flow around a cylindrical body with a special array of cylinders[J]. Journal of Hydrodynamics, 2015, 27(1):120－130.

[16] 井元昊，郭向紅，孫西歡，等. 管道車環(huán)狀縫隙流水力特性[J]. 水電能源科學(xué)，2014，32(7)：151－155. Jing Yuanhao, Guo Xianghong, Sun Xihuan, et al. Hydraulic characteristics of cyclical slit flow for piped carriage[J]. Water Resources and Power, 2014, 32(7): 151－155. (in Chinese with English abstract)

[17] 孫蕾，孫西歡，李永業(yè)，等. 不同直徑比條件下同心環(huán)狀縫隙流的水力特性[J]. 人民黃河，2014，36(11)：110－113. Sun Lei, Sun Xihuan, Li Yongye, et al. Cyclical slit flow of concentricity under different diameter ratios[J]. Yellow River, 2014, 36(11): 110－113. (in Chinese with English abstract)

[18] 楊小妮，李永業(yè)，孫西歡. 旋流器在平直管道運(yùn)行時(shí)的水力特性研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34(2)：98－102.Yang Xiaoni, Li Yongye, Sun Xihuan. Analysis on hydraulic characteristics of hydrocyclone in horizontal straight pipeline under operation[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2015, 34(2): 98－102. (in Chinese with English abstract)

[19] 張琪琦，孫西歡，李永業(yè). 圓柱體繞流環(huán)隙流場(chǎng)軸向流速及水力損失試驗(yàn)研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015，32(4)：51－54，58. Zhang Qiqi, Sun Xihuan, Li Yongye. Experimental research on axial flow velocity and hydraulic energy consumption in annulus flow field around cylinder[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(4): 51－54, 58. (in Chinese with English abstract)

[20] 田濟(jì)揚(yáng)，白丹，于福亮，等. 基于Fluent軟件的滴灌雙向流流道灌水器水力性能數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(20)：65－71. Tian Jiyang, Bai Dan, Yu Fuliang, et al. Numerical simulation of hydraulic performance on bidirectional flow channel of drip irrigation emitter using Fluent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(20): 65－71. (in Chinese with English abstract)

[21] 李永業(yè)，孫西歡，李飛，等. 不同型號(hào)的管道車在管道中運(yùn)移的水力特性[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，28(2)： 174－178. Li Yongye, Sun Xihuan, Li Fei, et al. Hydraulic characteristics of transportation of different piped carriages in pipe[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2010, 28(2): 174－178. (in Chinese with English abstract)

[22] 王銳，孫西歡，李永業(yè). 管道車在不同雷諾數(shù)條件下的輸送特性[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，29(4)：343－346，358. Wang Rui, Sun Xihuan, Li Yongye. Transportation characteristics of piped carriage with different Reynolds numbers[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2011, 29(4): 343－346, 358. (in Chinese with English abstract)

[23] 李貝貝，劉秀梅，龍正，等. 基于Fluent的節(jié)流閥油液空化流場(chǎng)數(shù)值分析[J]. 振動(dòng)與沖擊，2015，34(21)：54－58. Li Beibei, Liu Xiumei, Long Zheng, et al. Simulation and analysis for cavitation flow field in a throttle valve based on Fluent[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(21): 54－58. (in Chinese with English abstract)

[24] 張春晉，李永業(yè)，孫西歡. 明流泄洪洞水力特性的二維數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016，33(1)： 54－60. Zhang Chunjin, Li Yongye, Sun Xihuan. Two-dimensional numerical simulation and experimental research of hydraulic characteristics in spillway tunnel with free water surface[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2016, 33(1): 54－60. (in Chinese with English abstract)

[25] 柴博森，項(xiàng)玥，馬文星，等. 制動(dòng)工況下液力偶合器流場(chǎng)湍流模型分析與驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(3)： 34－40. Chai Bosen, Xiang Yue, Ma Wenxing, et al. Analysis and experimental verification of turbulence models in flow simulation for hydrodynamic coupling under braking condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 34－40. (in Chinese with English abstract)

[26] Asim T, Mishra R, Abushaala S, et al. Development of a design methodology for hydraulic pipelines carrying rectangular capsules[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2016, 146: 111－128.

[27] 梁東，弓志強(qiáng)，陳燦平，等. 軸流壓氣機(jī)引氣后流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2017，32(2)：446－454. Liang Dong, Gong Zhiqiang, Chen Canping, et al. Numerical simulation on flow field of axial compressor after bleeding[J]. Journal of Aerospace Power, 2017, 32(2): 446－454. (in Chinese with English abstract)

[28] 資丹，王福軍，姚志峰，等. 大型泵站進(jìn)水流場(chǎng)組合式導(dǎo)流墩整流效果分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(16)： 71－77. Zi Dan, Wang Fujun, Yao Zhifeng, et al. Effects analysis on rectifying intake flow field for large scale pumping station with combined diversion piers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 71－77. (in Chinese with English abstract)

[29] 舒敏驊，陳科，尤云祥，等. 動(dòng)網(wǎng)格方法在螺旋槳非定常軸承力數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)艦船研究，2016，11(3)：25－31. Shu Minhua, Chen Ke, You Yunxiang, et al. Application of the dynamic mesh method in the numerical simulation of unsteady bearing forces of a propeller[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2016, 11(3): 25－31. (in Chinese with English abstract)

[30] Cao Wanpeng, Bai Wei, Che Rensheng. 6-DOF motion and center of rotation estimation based on stereo vision[J]. Chinese Journal of Mechanical, 2008, 21(2): 87－92.

[31] 黃劍峰，張立翔，楊松，等. 水輪機(jī)槽道內(nèi)導(dǎo)葉動(dòng)態(tài)繞流水力特性大渦模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：125－130. Huang Jianfeng, Zhang Lixiang, Yang Song, et al. Analysis on hydraulic characteristics of dynamic flow around vane in hydro-turbine channel using large eddy simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 125－130. (in Chinese with English abstract)

[32] 蘇華山，陳從平，趙美云，等. 泵輪軸向振動(dòng)條件下高速液力耦合器特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：51－57. Su Huashan, Chen Congping, Zhao Meiyun, et al. Characteristics of high speed hydraulic coupler under pump wheel axial vibration conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 51－57. (in Chinese with English abstract)

張春晉，孫西歡，李永業(yè)，張學(xué)琴. 筒裝料管道水力輸送動(dòng)邊界環(huán)狀縫隙流水力特性數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(19)：76－85. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.010 http://www.tcsae.org

Zhang Chunjin, Sun Xihuan, Li Yongye, Zhang Xueqin. Numerical simulation of hydraulic characteristics of cyclical slit flow with moving boundary of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 76－85. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.010 http://www.tcsae.org

Numerical simulation of hydraulic characteristics of cyclical slit flow with moving boundary of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation

Zhang Chunjin1, Sun Xihuan1,2※, Li Yongye1, Zhang Xueqin3

(1.030024,;2.030600,; 3.250200,)

In order to solve effectively the problems of lower transport efficiency and higher utilization cost during the process of the long-distance transportation for the agricultural products, a kind of agricultural mechanical transport mode having a wide and great application prospect is proposed and known as the technique of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation. The technique of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation is the freight transportation mode that uses a fluid to suspend (float) and pull (drive) the pipe vehicle filled with the agricultural products from one location to another through a pressurized pipeline. According to the kinetic mechanism of the pipe vehicle, the mathematical models of the cyclical slit flow with the moving boundary under the different cyclical slit widths in the technique of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation were established in this paper. The mathematical models were solved by adopting the RNG-turbulent model, the 6DoF coupling model and the PISO algorithm of the commercial software Fluent. The effects of the cyclical slit width on the internal hydraulic characteristics of the flow velocity and the pressure in the cyclical slit flow with the moving boundary were obtained. At the same time, through a wide of experimental investigations, the cyclical slit flow with 4 widths of 0.025, 0.02, 0.015, 0.01 m respectively were studied by using the Laser Doppler velocimeter (LDV) when the pipe vehicle moved within the pipelines. The experiment was carried out in the parallel straight pipe section of the test piping system, whose the control flow was 50 m3/h, carrying the loading of 800 g. The flow field characteristics such as the instantaneous velocity of the pipe vehicle with the moving boundary, the average axial velocity of the cyclical slit flow, the pressure distributions through the static wall of the pipeline and the velocity distributions of several typical sections were obtained. Comparing with the numerical results and experimental results, it was shown that the simulated results and the experimental results on the instantaneous velocity of the pipe vehicle with the moving boundary, the pressure distributions and the velocity distributions of the cyclical slit flow in the technique of the tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation were in substantial agreement, and the maximum relative error did not exceed 5.3%, which further indicated that using the commercial software Fluent was feasible for solving the hydraulic characteristics of the cyclical slit flow with the moving boundary in the technique of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation; The overall pressure of the cyclical slit flow with the moving boundary within the pipelines showed a decreasing trend at the inlet of the cyclical slit areas, an increasing trend in the central location of the cyclical slit areas and a precipitous decline trend again at the outlet of the cyclical slit areas along the static boundary of the pipeline. The near-wall pressure of the moving boundary of the pipe vehicle was slightly higher than that of the static boundary of the pipeline. With the increasing of the cyclical slit width, the range in distributions of the low-velocity areas formed by the near-wall of the moving boundary at the inlet of the cyclical slit space increased gradually. As the cyclical slit width increased, the pressure drop increased gradually at the inlet of the cyclical slit areas while the pressure drop at the central location of the cyclical slit areas decreased significantly. The hydraulic characteristics of the cyclical slit flow with the moving boundary was affected not only by the structural parameters of the pipe vehicle, but also by the flow field of the upstream and the downstream of the pipe vehicle with the moving boundary within the pipelines. The study of this paper not only improved the relevant theories of the cyclical slit flow with the moving boundary, but also provided a feasible method for further study on the hydraulic characteristics of the cyclical slit flow with the moving boundary in the technique of tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation.

computational fluid dynamics; pressure; velocity; tube-contained raw materials pipelines hydraulic transportation; cyclical slit flow; moving boundary; hydraulic characteristics; pipe vehicle

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.010

S377

A

1002-6819(2017)-19-0076-10

2017-03-26

2017-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179116，50579044，51109155）

張春晉，男，山西平遙人，博士生，主要從事流體力學(xué)及流體機(jī)械研究。Email：zhangchunjintyut@163.com

※通信作者：孫西歡，男，山西臨猗人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)水力學(xué)研究。Email：sunxihuan@tyut.edu.cn