不同导叶高度旋流器内部旋流特性研究

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导叶式旋流器是一种在管道内添加扭曲导叶,产生螺旋流的装置。该装置以进水口与出水口之间的压差为动力,产生螺旋流对泥沙进行输送,不依靠额外的能量输入,是一种节能环保的螺旋流起旋装置。本文以导叶高度为主要控制变量,采用理论分析、物理试验与数值模拟相结合的方法,对不同导叶高度旋流器内部旋流特性进行了研究。得出主要结论如下:(1)旋流器内的水流在导叶作用下发生偏转。轴向速度受导叶影响重新分布,在远离管壁和导叶面区域其值较大,导叶背水面一侧的水流轴向速度大于迎水面一侧。径向速度在迎水面一侧指向管轴线,背水面一侧指向管壁,沿程径向速度影响区域扩大。周向速度在导叶扭曲段沿程增大,靠近导叶面的水流周向速度较大,导叶背水面一侧水流的周向速度大于其他区域。涡量在靠近管壁和导叶面处较大,在导叶前缘和导叶后缘附近较大。水流压强沿程呈现减小的变化趋势,导叶迎水面一侧压强大于背水面。(2)旋流器导叶高度不同时,其内部的螺旋流流场不同。轴向速度在导叶段的均值,由于导叶高度的增大会使过流面积减小,其值随之增大。径向速度的均值很小,其影响区域随着导叶高度的增大而增大,且影响区域在径向上的尺度逐渐增大,趋于长条状。周向速度的均值随着导叶高度的增大而增大,周向速度值为正的环形区域面积增大,其最大值减小,导叶扭曲段周向速度增长速率随导叶高度的增大而增大。沿程压强下降速度随着导叶高度的增大而增大,旋流器进口断面与出口断面压强之差增大。(3)不同导叶高度的旋流器,单位时间内通过出口断面的水流的轴向动量相差不大,该值主要受雷诺数的影响。径向动量远小于另外两个方向。周向动量随着导叶高度及雷诺数的增大而增大。旋流器出口断面周向动量与轴向动量的比值随着导叶高度的增大而增大,该值受雷诺数影响较小。单位时间内沿程断面通过的水流具有的旋转动能,在导叶扭曲段的增长速率沿程增大,且导叶高度越大在导叶扭曲段的增长速率增大。出口断面的水流旋转动能随导叶高度及雷诺数的增大而增大。(4)单位时间内通过过水断面的水流的机械能沿程减小,且导叶高度越大的旋流器机械能减小幅度越大;机械能中的动能部分在导叶扭曲段沿程增大,旋流器出口断面的动能大于进口断面,导叶高度越大的旋流器增大的幅度越大;水流机械能中的压能在导叶段沿程减小,进口断面与出口断面压能之差随着导叶高度的增大而增大;附加机械能损失占机械能总损失的比例,随着导叶高度及雷诺数的增大而增大,且受导叶高度的影响大于受雷诺数的影响。旋流器机械效率,随导叶高度的增大而减小,随雷诺数的增大而增大。本文的研究成果充实了管道螺旋流理论研究,并且对导叶式旋流器起旋装置的导叶高度选择提供了理论参考。
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