李永業(yè)，張奇?zhèn)?，宋曉騰，魯一凡，楊小妮，孫西歡，張雪蘭，龐雅琦

導(dǎo)葉長度對囊體間斷面螺旋流流速特性的影響

李永業(yè)，張奇?zhèn)?，宋曉騰，魯一凡，楊小妮，孫西歡，張雪蘭，龐雅琦

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

為研究囊體表面的導(dǎo)葉長度對囊體管道水力輸送特性的影響，該研究以導(dǎo)葉長度為控制變量，通過物理模型試驗對囊體間斷面的螺旋流流速特性進行了研究。結(jié)果表明：不同導(dǎo)葉長度下囊體間各斷面的軸向流速分布基本相同，從軸心處沿徑向呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且隨著導(dǎo)葉長度的不斷增長，囊體間各斷面軸向流速的波動減小，軸向流速分布更加均勻。不同導(dǎo)葉長度下囊體間沿程各斷面的周向流速梯度均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，而周向速度最大值和最小值均出現(xiàn)在靠近上游囊體的區(qū)域，且周向流速隨導(dǎo)葉長度的增加而增大，最大值能達到1.2 m/s。不同導(dǎo)葉長度下，靠近上游囊體區(qū)域的徑向流速梯度最大，而囊體間中部斷面的徑向流速梯度較小，且隨著導(dǎo)葉長度的增長，同一斷面的徑向流速分布逐漸趨于均勻。不同導(dǎo)葉長度下，同一測環(huán)上的軸向、周向和徑向流速均呈現(xiàn)波浪狀分布，其分別在–1.2～3.5、–0.6～1.2和–1.6～1.2 m/s之間波動。且受囊體支腳的影響，軸向、周向以及徑向流速值在測軸為60°、180°、300°位置處均出現(xiàn)極值。該研究成果可為囊體管道水力輸送的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

流場；試驗；管道；水力輸送；囊體；導(dǎo)葉長度；螺旋流；流速特性

0 引 言

目前，農(nóng)產(chǎn)品物流主要依賴于公路、鐵路等傳統(tǒng)的運輸方式[1-3]。傳統(tǒng)運輸方式在滿足人們生產(chǎn)生活需要時，也暴露出各種各樣的缺點，例如化石燃料燃燒不完全造成的能量浪費以及環(huán)境污染，故提出新型農(nóng)產(chǎn)品運輸方式—囊體管道水力輸送。該運輸方式主要是將農(nóng)用物資放置于囊體內(nèi)部，通過投放裝置投放于有壓管道內(nèi)，依靠水流推動囊體運動，沿固定管路將農(nóng)用物資輸送到目的地的以實現(xiàn)農(nóng)用物資的點對點輸送[4-6]。它是一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的新型管道水力輸送技術(shù)。

囊體管道水力輸送技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，也已經(jīng)取得了一定研究成果。Kollár等[7]建立了生命周期成本分析模型，用來檢驗?zāi)殷w尺寸對輸送管道壽命的影響程度。Agarwal等[8]研究了囊體形狀對囊體運行速度的影響，研究發(fā)現(xiàn)囊體直徑和管道直徑比對囊體運行速度起主導(dǎo)作用。Asim等[9]對不同形狀囊體的運動速度進行了研究，建立了膠囊摩擦因數(shù)和損失系數(shù)的半經(jīng)驗預(yù)測模型。Ulusarslan等[10-11]通過模型試驗對不同直徑比下的囊體運動和管內(nèi)壓力梯度變化進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著直徑比的增大囊體的運移速度也逐漸增大。張春晉等[12-13]就流固耦合作用下的囊體管道水力輸送內(nèi)部流場特性進行了研究，分析了囊體在管道內(nèi)運動時，囊體周圍的環(huán)隙流場隨囊體徑長比的變化關(guān)系。Li等[14]對囊體表面安裝不同導(dǎo)葉安放數(shù)量下的管道內(nèi)螺旋流流速特性進行了研究，探討了螺旋流的流速特性與導(dǎo)葉數(shù)量的關(guān)系。

由于在囊體表面安裝有導(dǎo)葉，水流在推動囊體運動時會產(chǎn)生螺旋流。螺旋流除了具有沿管軸線的軸向流速外，還有繞圓心的周向流速和沿半徑方向的徑向流速。鑒于螺旋流三維流速分布的復(fù)雜性以及實用性，國內(nèi)外專家學(xué)者針對螺旋流展開了大量的研究。Zohir等[15]利用旋流發(fā)生器在管內(nèi)形成螺旋流，并通過模型試驗對突擴管中的螺旋流熱交換特性和壓降特性進行了研究。Itos等[16]通過對不同雷諾數(shù)下的管道內(nèi)螺旋流特性進行研究，發(fā)現(xiàn)徑向流速要遠(yuǎn)小于軸向和切向流速。Cavazzuti等[17]利用數(shù)值模擬的方法對環(huán)形管中漩渦流的衰減速率進行了研究，給出了一個精度合理的漩渦流衰減預(yù)測公式。Zhang等[18-19]對不同縫隙寬度和不同雷諾數(shù)下的同心環(huán)狀縫隙螺旋流三維流速特性進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明環(huán)狀縫隙寬度與三向流速的大小呈負(fù)相關(guān)，雷諾數(shù)與三向流速的大小呈正相關(guān)。王樹立等[20-21]通過試驗對氣液兩相螺旋流的流型和壓降規(guī)律進行了研究，將出現(xiàn)的流型歸納為螺旋彌散流、螺旋泡狀流以及螺旋波狀分層流三種，并發(fā)現(xiàn)流型對壓降影響顯著。Aydin等[22]設(shè)計了一種新型起旋器，并研究了起旋器參數(shù)變化對旋流換熱和壓降的影響。常凱等[23]對圓管內(nèi)螺旋扭帶產(chǎn)生的螺旋流水流特性進行模擬分析，并對螺旋流的流場特性、渦量以及漩渦分布進行了研究。

綜上所述，隨著研究的不斷深入，多囊體螺旋流輸送必會成為今后研究的重點[24]。而當(dāng)水流流過多囊體時會經(jīng)歷斷面的驟增、驟減變化同時加之導(dǎo)葉對水流狀態(tài)的擾動，其間螺旋流的存在會直接影響囊體的運動和能耗。囊體表面的導(dǎo)葉參數(shù)的變化會直接影響囊體之間螺旋流的強度及流速結(jié)構(gòu)，先前已對導(dǎo)葉安放角對螺旋流特性的影響進行了研究，并確定了最佳安放角的取值范圍[25]，基于此成果進行導(dǎo)葉長度對螺旋流特性影響的后續(xù)研究，就囊體間斷面的螺旋流流速特性改進分析方法進行多組分、多尺度的分析。通過控制囊體表面的導(dǎo)葉長度，來對比分析兩囊體之間的螺旋流流速分布，擬為進一步研究囊體管道水力輸送的輸送能耗提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗系統(tǒng)與方案

1.1 試驗系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)裝置、囊體投放與回收裝置、試驗管道、測試儀器4部分組成[25]。其中調(diào)節(jié)裝置由離心泵、電磁流量計組成；循環(huán)試驗管道為通過法蘭連接的有機玻璃空心圓管，內(nèi)徑為100 mm，壁厚為5 mm；流速測量儀器為粒子圖像測速儀，測量時為了減少管道壁面對激光的折射，在管道外壁加裝了矩形水箱。在水箱中裝滿水，從而降低了激光折射問題，提高測量的精度。試驗時，先由離心泵將鋼水箱中的水抽入管道內(nèi)，然后將囊體從投放裝置放入試驗管道，并通過制動裝置將囊體固定，通過閘閥調(diào)節(jié)流量到試驗所需流量，流量采用電磁流量計來計量，待流量穩(wěn)定后，解除制動裝置，釋放囊體，并在測試管段采用粒子圖像測速儀對囊體之間斷面的水流的流速進行量測，最后囊體從管道出口進入囊體接收裝置，而水則流入鋼水箱形成一個閉合的循環(huán)回路。試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.2 囊體設(shè)計

本試驗研究的囊體由導(dǎo)葉、支腳和料筒組合而成，支腳通過螺紋與料筒結(jié)合在一起，然后導(dǎo)葉粘接于料筒之上。料筒由亞克力有機玻璃制成，料筒的徑長比（料筒的長度與直徑的比值）為0.47，料筒的厚度為5 mm；金屬支腳通過定位螺絲固定于料筒蓋上（3個支腳關(guān)于圓心120°對稱分布），通過螺紋與料筒合為一體；導(dǎo)葉也為亞克力制品，熱加工后用模具定型。安裝導(dǎo)葉時，將其和支腳錯開，并按120°等間隔角布置。囊體模型示意圖如圖2所示。

1.3 試驗工況設(shè)計

本文主要研究導(dǎo)葉長度對囊體間斷面螺旋流流速特性的影響，故以導(dǎo)葉長度為主要控制變量，選取4種導(dǎo)葉長度，分別為：0.25、0.5、0.75、。導(dǎo)葉其他參數(shù)分別為：安放角度=15°，寬度=10 mm，厚度3 mm，個數(shù)3。其中安放角度指導(dǎo)葉安裝時進水端的切線要平行于水流方向，出水端末端的切線與水流方向之間形成的銳角。試驗所選流量=40 m3/h，水流為湍流。

1.4 測試斷面及測點布置

試驗時，每次使用導(dǎo)葉長度相同的兩個囊體進行測量，囊體之間相距150 mm，試驗時為保證囊體間距不變，使用直徑為3 mm的硬質(zhì)彈簧（不會拉伸和收縮）對兩囊體進行連接。同時為了保證囊體運動的位置不變，除在管道測試段外，管道內(nèi)部其余部分都設(shè)有滑道，管道車支腳沿滑道在管道內(nèi)運行，不會在運行途中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在兩囊體間共設(shè)置3個測試斷面，順著水流方向布置。1#和3#兩個測試斷面與離它們較近的囊體之間的距離為3 mm，2#測試斷面位于1#和3#斷面中點處。試驗開始前，利用PIV (Particle Image Velocimetry)標(biāo)定板先進行位置標(biāo)定，標(biāo)定板中心即坐標(biāo)原點。試驗結(jié)束后，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)坐標(biāo)便可提取距前后囊體支腳斷面3 mm處斷面的試驗數(shù)據(jù)。測試斷面布置如圖3所示。

測試斷面的測點布置采用極坐標(biāo)的布置方法，考慮斷面為圓形，從圓心向外等間距布置5個測試環(huán)帶（以下簡稱測環(huán)），另順時針等間距布置12條測試極軸（以下簡稱測軸）。測環(huán)以管道測試斷面的中心點為圓心，半徑1、2、3、4、5分別為9、18、27、36、45 mm，極軸以管道測試斷面的中心點為交點，相鄰兩條極軸之間夾角為30°。測點位置即測環(huán)與測軸相交點，外加一個測試斷面圓心，一個斷面共布置61個測點。3個斷面測點布置圖如圖4所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 車間斷面軸向流速分布

不同導(dǎo)葉長度條件下囊體間斷面的軸向流速分布如圖5所示。

從圖5可以看出，1）導(dǎo)葉長度只影響流速大小，不影響斷面內(nèi)軸向流速分布規(guī)律。囊體間斷面軸向流速從軸心處沿徑向呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。管道中水流流經(jīng)前囊體縫隙進入囊體間斷面時，過水?dāng)嗝婷娣e的突然擴大，流線會急劇擴張，同時由于囊體表面安裝有導(dǎo)葉與支腳，水流受導(dǎo)葉的導(dǎo)流作用與支腳的阻礙作用，導(dǎo)致近囊體的1#斷面軸向流速劇烈變化，流速梯度最大，并且3個測試斷面的軸向流速的最大值與最小值均出現(xiàn)在1#斷面。隨著水流流至2#斷面，受前囊體的影響逐漸減少，水流逐漸開始重新分布，隨著螺旋流的發(fā)展，斷面流速分布趨于均勻。水流流過2#斷面后，開始逐漸靠近后囊體，受后囊體的阻礙作用，3#斷面水流流線開始收縮，并逐漸向管壁方向擴散，使得該斷面的軸向流速波動較大，流速分布也愈不均勻。2）隨著導(dǎo)葉長度的增加，同一斷面上軸向流速的波動越來越小，軸向速度變化幅度也越小，斷面流速分布較均勻。

為了研究不同導(dǎo)葉長度條件下囊體間斷面軸向流速的局部分布特性，選取半徑分別為1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的測環(huán)進行分析，具體如圖6所示。

由圖6可以看出：1）對于同一測環(huán)而言，不同測軸上測點的軸向流速隨測極角變化呈波浪形分布，存在規(guī)律的波峰及波谷分布。波峰位置大致對應(yīng)出現(xiàn)在0°、120°、240°左右，波谷位置大致對應(yīng)出現(xiàn)在60°、180°、300°左右。波谷的出現(xiàn)是因為囊體3個支腳對水流的阻礙，水流經(jīng)過支腳時，垂直進入并發(fā)生繞流現(xiàn)象，考慮支腳對水流的阻力及繞流產(chǎn)生的漩渦，因此支腳對應(yīng)位置的軸向流速小于其他區(qū)域，出現(xiàn)波谷。2）對于1#斷面而言，半徑不同的各個測環(huán)上測點的軸向速度差值較大，而且軸向速度隨著測環(huán)半徑的增大呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。半徑為1、2、3的測環(huán)軸向流速范圍約為?1.2～1.5 m/s，半徑為4和5的測環(huán)軸向流速約為1.5～3.5 m/s。同時1#斷面上軸向流速有負(fù)值出現(xiàn)，即軸向流速逆水流方向。這主要是由于水流自環(huán)狀縫隙流出后會在1#斷面區(qū)域附近發(fā)生回流，因此使得軸向流速值為負(fù)。對于2#斷面而言，同一測環(huán)上軸向速度極大值和極小值的差值逐漸縮?。s為1.5 m/s），斷面流速分布較其他斷面更加均勻；由于2#斷面已脫離回流區(qū)域，因此該斷面上測點的軸向流速值基本都為正，同時2#斷面上的軸向流速所能達到的最大值要小于1#斷面（約為3.5 m/s）。但對于3#斷面而言，由于距離后囊體較近，支腳和料筒對水流的作用力導(dǎo)致3#斷面的水流流速發(fā)生了變化，流速分布變的紊亂，速度差值增大，流速梯度變大。該斷面處軸向流速值也基本為正值，均為順?biāo)鞣较?，?#斷面上測點的軸向流速最大值（約為2 m/s）要小于1#和2#斷面。3）在各個斷面上，半徑為1和2測環(huán)上的測點軸向速度隨測環(huán)角度的變化較小，說明支腳和導(dǎo)葉對斷面中心區(qū)域影響較小。

2.2 車間斷面周向流速分布

不同導(dǎo)葉長度條件下囊體間斷面的周向流速分布如圖7所示。規(guī)定沿圓周切線逆時針方向為周向流速的正方向，沿圓周切線順時針方向為周向流速的負(fù)方向。

由圖7可以看出：各斷面的周向流速均隨導(dǎo)葉長度增加而逐漸增大。周向流速的極值均出現(xiàn)在1#斷面，并且1#斷面的周向流速等值線最為密集，說明該斷面周向流速的變化梯度最大。周向速度較大的位置集中于囊體與管壁間的縫隙區(qū)域（半徑大于35 mm），在囊體對應(yīng)的區(qū)域（半徑小于35 mm）由于水流經(jīng)過前囊體進入囊體間，過水?dāng)嗝婷娣e突然增大，流線擴散，在前囊體的后端面位置形成漩渦，從而導(dǎo)致周向流速出現(xiàn)負(fù)值，即周向流速沿圓周切線順時針方向運動。相較與1#斷面，2#斷面周向流速發(fā)展更為充分，周向流速分布更加均勻，流速等值線比較稀疏，流速梯度較小。周向速度較大的位置也從縫隙處往管軸中心移動，周向速度為負(fù)值的區(qū)域減少。3#斷面相較2#斷面的周向速度分布，流速梯度增大，周向流速的負(fù)值區(qū)域增多，但負(fù)值區(qū)域多與支腳位置相對應(yīng)。

為了研究不同導(dǎo)葉長度條件下囊體間斷面周向流速的局部分布特性，選取半徑分別為1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的測環(huán)進行分析，具體如圖8所示。

由圖8可以看出：測環(huán)上各測點的周向速度沿著不同極軸角度均呈現(xiàn)波浪狀分布，在極軸[0°，30°]，[120°，150°]，[240°，270°]區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)峰值，在極軸[60°，90°]，[180°，210°]，[300°，330°]區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)峰谷。受前后囊體的影響，當(dāng)導(dǎo)葉長度一定時，同一測環(huán)上周向流速波動幅度沿程呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。當(dāng)導(dǎo)葉長度不斷增加時，同一測試斷面周向流速的波動范圍不斷增大，周向流速的強度也在逐漸增加，周向流速的極大值也由0.6m/s變?yōu)?.2 m/s。這主要是因為導(dǎo)葉長度越長，導(dǎo)葉對水流的導(dǎo)向作用就越大，所形成的螺旋流的周向流速就越大，說明導(dǎo)葉長度的增加促進了囊體間斷面周向流速的發(fā)展。從圖中還可以看出，當(dāng)導(dǎo)葉長度為0.25時，各斷面上負(fù)的周向流速較多，但隨著導(dǎo)葉長度的不斷增加，各斷面上負(fù)的周向流速不斷減少，說明導(dǎo)葉長度的變化對周向流速的方向產(chǎn)生了一定影響。

2.3 車間斷面徑向流速分布

不同導(dǎo)葉長度條件下管道雙車車間斷面的徑向流速分布如圖9所示。

規(guī)定徑向流速沿管道半徑指向圓心為負(fù)，背離圓心為正。由圖9可以看出：1）相同導(dǎo)葉長度情況下，受囊體結(jié)構(gòu)的影響，1#斷面的徑向流速波動最為劇烈，變化梯度最大，2#斷面的徑向流速變化梯度最小。與1#斷面相比，2#斷面中徑向速度為負(fù)值的區(qū)域減少，徑向速度為正值的區(qū)域主要位于靠近管壁和管軸心位置，說明水流有往管軸心方向偏轉(zhuǎn)的趨勢。與1#斷面相比，2#斷面的速度等值線更為稀疏，流速梯度逐漸減小，說明各斷面的徑向速度分布沿程逐漸趨于均勻。在3#斷面，徑向速度正值占據(jù)大部分區(qū)域，說明斷面水流向管壁方向偏轉(zhuǎn)，這主要是因為受囊體B的阻礙作用，3#斷面水流流線開始向縫隙處收縮，并逐漸向管壁方向擴散。2）隨著導(dǎo)葉長度的增加，同一測試斷面徑向速度的極大值與極小值的差值呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。

為了研究不同導(dǎo)葉長度條件下囊體間斷面徑向流速的局部分布特性，選取半徑分別為1（9 mm）、2（18 mm）、3（27 mm）、4（36 mm）和5（45 mm）的測環(huán)進行分析，具體如圖10所示。

由圖10可以看出：1）對于同一測環(huán)而言，不同測軸上測點的徑向流速隨測軸角度的變化呈波浪形分布，徑向流速的最大值和最小值均出現(xiàn)在極軸60°、180°、300°的位置，這正好與支腳位置相對應(yīng)，說明支腳對徑向速度的影響較大。隨著導(dǎo)葉長度的增大，同一斷面上的徑向流速波動先降低后增高。當(dāng)導(dǎo)葉長度一定時，沿水流方向徑向流速值先減小后增大，這主要是由于水流自環(huán)狀縫隙流出后，產(chǎn)生向管道中心的運動趨勢，因此1#斷面的徑向流速值較大，隨著水流遠(yuǎn)離囊體，水流流態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，流線逐漸與管道軸線平行，徑向流速值也隨之降低，當(dāng)水流靠近后囊體時，水流產(chǎn)生向環(huán)狀縫隙運動的趨勢，從而使得徑向流速值增大。2）徑向流速主要受支腳影響，距支腳較近的1#斷面和3#斷面，同一測軸上的徑向速度波動較大，而2#斷面上測軸徑向速度波動范圍相對較小。對于同一條極軸，在測環(huán)半徑在9～18和36～45 mm范圍時，徑向速度的變化幅度較小，在18～36 mm范圍變化幅度較大。3）測環(huán)半徑為45 mm處，2#斷面的徑向速度大都接近于0，而1#和3#斷面由于受囊體結(jié)構(gòu)的影響，徑向流速波動較大，約為?1.6～1.2 m/s。

3 討 論

本文通過對不同導(dǎo)葉長度下囊體間斷面的螺旋流流速特性，分析了導(dǎo)葉長度對囊體間斷面的螺旋流流速特性影響，適當(dāng)?shù)脑龃髮?dǎo)葉長度可以獲得較大的周向流速，同時管道內(nèi)的水流流速分布也比較均勻。實際應(yīng)用時，合理的導(dǎo)葉長度范圍應(yīng)選擇在0.75～之間。目前囊體管道水力輸送主要針對囊體的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、囊體管道水力輸送過程中水流的水力特性以及輸送能耗進行研究，實際應(yīng)用時還有待對該輸送技術(shù)的投放與接收裝置以及中繼加壓系統(tǒng)進行研究。

4 結(jié) 論

1）囊體間各斷面的軸向流速從管道中心到管壁呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，并在?1.2～3.5 m/s之間變化。隨著導(dǎo)葉長度的增加，囊體間各斷面的軸向流速的波動越來越小，其軸向流速分布也逐漸趨于均勻。

2）導(dǎo)葉長度的變化對周向流速大小的影響最為顯著，隨著導(dǎo)葉長度的增加，各斷面周向流速值均逐漸增大，且周向流速的最大值和最小值均出現(xiàn)在靠近前囊體附近斷面。當(dāng)導(dǎo)葉長度一定時，沿水流方向囊體間各斷面的周向流速梯度值呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，并在?0.6～1.2 m/s之間變化。

3）徑向流速在?1.6～1.2 m/s之間變化，在靠近囊體區(qū)域變化波動相對劇烈，而在囊體間的中部位置分布相對均勻。導(dǎo)葉長度對徑向流速的影響要小于周向流速，隨著導(dǎo)葉長度的增加，同一測試斷面徑向速度的極大值與極小值的差值呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。中間斷面的徑向流速分布較前后斷面更為均勻，流速梯度更小。

[1] 孫曦，楊為民. 低碳經(jīng)濟環(huán)境下農(nóng)產(chǎn)品運輸與配送問題研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(4)：392-395.

Sun Xi, Yang Weimin. Research on the Transportation and Distribution of Agricultural Products in low-carbon economy environment[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2014，42(4)：392-395. (in Chinese with English abstract)

[2] 孫西歡，李永業(yè)，閻慶紱. 筒裝料管道水力輸送管道車起動條件的試驗研究[C]//第二十屆全國水動力學(xué)研討會論文集，北京：海洋出版社，2007.

[3] Yang X N, Ma J J, Li Y Y. Wall stresses in cylinder of stationary piped carriage using comsol multiphysics[J]. Water, 2019, 11(9): 1-24.

[4] Zhang X L, Sun X H, Li Y Y. 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.

[5] 賈曉萌，孫西歡，李永業(yè). 有壓管道內(nèi)串列管道雙車的運移速度[J]. 排灌機械工程學(xué)報，2021，39(1)：50-55.

Jia Xiaomeng, Sun Xihuan, Li Yongye. Moving speed of tandem two-pipe vehicles in pressure pipeline[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2021, 39(1): 50-55. (in Chinese with English abstract)

[6] Li Y Y, Sun Y H. Mathematical model of the piped vehicle motion in piped hydraulic transportation of tube-contained raw material[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2019, 2019: 1-10

[7] Kollár L E, Mishra R, Asim T. Particle size effects on optimal sizing and lifetime of pipelines transporting multi-sized solid-liquid mixtures[C]//2nd International Through-life Engineering Services Conference, London: Elsevier, 2013.

[8] Agarwal V C, Singh M K, Mathur R. Empirical relation for the effect of the shape of the capsules and the nose shape on the velocity ratio of heavy density capsules in a hydraulic pipeline[J]. Proc Instn Mech Engrs, 2001, 215, 147-157.

[9] Asim T, Mishra R. Computational fluid dynamics based optimal design of hydraulic capsule pipelines transporting cylindrical capsules[J]. Powder Technology, 2016, 295(7): 180-201.

[10] Ulusarslan D. Comparison of experimental pressure gradient and experimental relationships for the low density spherical capsule train with slurry flow relationships[J]. Powder Technology, 2008, 185(2): 170-175.

[11] Ulusarslan D. Experimental investigation of the effect of diameter ratio on velocity ratio and pressure gradient for the spherical capsule train flow[J]. European Journal of Mechanics B/Fluids, 2013, 37(1): 42-47.

[12] 張春晉，孫西歡，李永業(yè)，等. 流固耦合作用對筒裝料管道車水力輸送內(nèi)部流場特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(18)：299-307.

Zhang Chunjin, Sun Xihuan, Li Yongye, et al. Effect of fluid-structure interaction on internal flow field characteristics of tube-contained raw material pipeline hydraulic transportation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 299-307. (in Chinese with English abstract)

[13] 張春晉，孫西歡，李永業(yè)，等. 螺旋流起旋器內(nèi)部流場水力特性數(shù)值模擬與驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(1)：53-62.

Zhang Chunjin, Sun Xihuan, Li Yongye, et al. Numerical simulation and verification of hydraulic characteristics of internal flow field in spiral flow generator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(1): 53-62. (in Chinese with English abstract)

[14] Li Y Y, Gao Y, Zhang T, et al. Study on the velocity characteristics of spiral flow in pipeline with different numbers of guide bars installed on the surface of the piped vehicle body[J]. Science Progress, 2020, 103(4): 1-17.

[15] Zohir A E, Abdel Aziz A A, Habib M A. Heat transfer characteristics in a sudden expansion pipe equipped with swirl generators[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2011, 32(1): 352-361.

[16] Ito S, Ogawa K，Kuroda C. Decay process of s wirling flow in a pipe[J]. International Journal of Chemical Engineering, 1979(19): 600-605.

[17] Cavazzuti M, Corticelli M A. Convective heat transfer of turbulent decaying swirled flows in concentric annular pipes[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 120: 517-529.

[18] Zhang X L, Sun X H, Li Y Y, et al. Numerical investigation of the concentric annulus flow around a cylindrical body with contrasted effecting factors[J]. Journal of Hydrodynamics, 2015, 27(2): 273-285.

[19] Zhang X L, Sun X H, Li Y Y. 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: 120-130.

[20] 王樹立，饒永超，魏鳴姣，等. 水平管內(nèi)氣液兩相螺旋流壓降規(guī)律實驗研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(3)：659-663.

Wang Shuli, Rao Yongqiang, Wei Mingjiao, et al. Experimental study on pressure drop law of gas-liquid two-phase spiral flow in horizontal tube[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(3): 659-663. (in Chinese with English abstract)

[21] 王樹立，饒永超，武玉憲，等. 水平管內(nèi)氣液兩相螺旋流實驗研究[J]. 實驗力學(xué)，2013(1)：77-86.

Wang Shuli, Rao Yongchao, Wu Yuxian, et al. Experimental study on gas-liquid two-phase spiral flow in a horizontal tube[J]. Experimental Mechanics, 2013(1): 77-86. (in Chinese with English abstract)

[22] Aydin O, Avci M, Markal B, Yazici M Y. An experimental study on the decaying swirl ?ow in a tube[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2014, 55: 22-28.

[23] 常凱，饒永超，王樹立，等. 內(nèi)置短螺旋扭帶管內(nèi)螺旋渦流數(shù)值模擬研究[J]. 常州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，28(2)：73-78.

Chang Kai, Rao Yongchao, Wang Shuli, et al. Numerical Simulations of Swirling Flows in a Circular Pipe with Short Twisted Tape Inserts[J]. Journal of Changzhou University: Natural Science Edition, 2016, 28(2): 73-78. (in Chinese with English abstract)

[24] Jia X M, Sun X H, Song J R. Effect of concentric annular gap flow on wall shear stress of stationary cylinder pipe vehicle under different reynolds numbers[J]. Math Probl Eng, 2020, 2020(15): 1-19

[25] 李永業(yè)，龐雅琦，宋曉騰，等. 導(dǎo)流條安放角度對管道車間斷面螺旋流流速特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(5)：87-94.

Li Yongye, Pang Yaqi, Song Xiaoteng, et al. Influence of setting angle for guide bar on velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between piped carriages[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 87-94. (in Chinese with English abstract)

Influence of guide vane length on the velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between capsules

Li Yongye, Zhang Qiwei, Song Xiaoteng, Lu Yifan, Yang Xiaoni, Sun Xihuan, Zhang Xuelan, Pang Yaqi

(,,030024,)

Hydraulic capsule pipeline refers to the new type of transportation for goods in hollow containers in low carbon and environment-friendly way, particularly for agricultural products. Specifically, the farm products were sealed in airtight containers for point-to-point transportation through fixed pipelines, where the water pressure was taken as the power. Since the guide vanes are added around the capsule body, the water flow will generate circumferential velocity. Therefore, the length of guide vanes inevitably poses a great influence on the distribution and size of circumferential velocity. In this study, experimental and theoretical analysis was used to investigate the velocity characteristics of spiral flow in the cross section of the capsule with the length of the guide vane as the control variable. The results show that the axial velocity distribution of each cross-section was all the same with different lengths of guide vane. Specifically, the fluctuation of axial velocity decreased in each section between capsules, indicating the more uniform distribution of axial velocity, with the increase in the length of the guide vane. There was no major change in the axial velocity, but positive and the same as the water flow direction, with the increase in the length of the guide vane. Furthermore, the circumferential velocity gradient along each section between capsules first decreased, and then increased with different guide vane lengths, while the maximum and minimum circumferential velocity appeared near the upstream capsule. More importantly, the length of the guide vane presented the greatest influence on the circumferential flow velocity. The circumferential flow velocity increased with the increase of guide vane length, with a maximum of up to 1.2 m/s. The value of circumferential velocity was positive or negative, indicating that the circumferential velocity was divided into two directions, clockwise and counterclockwise along the circumference. The radial velocity gradient was the largest in the area near the upstream capsule, while smaller in the middle section between capsules under different guide vane lengths. There was a gradual decrease difference between the maximum and minimum radial velocity in the same section, where the radial velocity value was more uniform, with the increase of guide vane length. Compared with the circumferential velocity, the radial velocity was less affected by the length of the guide vane, and the radial velocity was positive or negative, indicating that the radial velocity was directed to the center of the circle and away from the center of the circle. The axial, circumferential, and radial velocity distribution on the same measuring ring was wavy under different guide vane lengths, ranging from -1.2 to 3.5 m/s, -0.6 to 1.2 m/s, and -1.6 to 1.2 m/s, respectively. The axial, circumferential, and radial velocity values were at the polar angle of 60°, 180°, and 300°. The peak value appeared at all the positions. The finding can provide a strong theoretical basis for the optimal design of capsule pipeline hydraulic transportation.

flow field; experiment; pipe; hydraulic transportation; capsule; length of guide vane; spiral flow; flow velocity characteristics

李永業(yè)，張奇?zhèn)?，宋曉騰，等. 導(dǎo)葉長度對囊體間斷面螺旋流流速特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(19)：48-56.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006 http://www.tcsae.org

Li Yongye, Zhang Qiwei, Song Xiaoteng, et al. Influence of guide vane length on the velocity characteristics of spiral flow in cross-sections between capsules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 48-56. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006 http://www.tcsae.org

2021-06-11

2021-09-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51179116）

李永業(yè)，博士，副教授，研究方向為流體機械。Email：liyongye@tyut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.006

S377

A

1002-6819(2021)-19-0048-09