筒装料管道水力输送概化模型——有限圆管域内柱状体绕流场特性研究

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1、太原理工大学博士研究生学位论文筒装料管道水力输送概化模型—有限圆管域内柱状体绕流场特性研究摘要筒装料管道水力输送是在物流行业发展进程中出现的一种新型的物料输运方式，其具有节能、环保等方面的优势，该输送方式的提出在一定程度上缓解了传统物流业中能源消耗高、污染严重等问题。对该新型输送方式开展的研究中，已经在运载体运行条件、运动特性等方面取得了一定的研究成果，研究过程中，将管道车运载体在管道内运行的全过程划分为静止（启动前或因故障停滞在某一位置）、启动、变速（含加速、减速）运行及稳定运行等几种状态分别进行探讨。各状态下，运载体的不

2、同运动特性及管道壁面约束的双重作用对水流产生不同的影响，而水流流场特性是决定该输送方式运输效率的主要方面，因此对管道内流场水力特性进行系统的研究是必需的，作为该研究体系的第一步研究，笔者将就管道车处于不运动状态时的周围流场特性进行详尽的研究。该状态下，水流经过管道车时形成的缝隙流动主要呈现为沿圆柱形料筒母线的绕流运动，因此，为了便于开展研究的同时提高研究准确性，建立了与管道车载体同型（包括结构组成和各结构尺寸）的柱状体概化模型（管道车料筒概化为柱状体主圆柱，管道车支撑结构概化为柱状体附属圆柱），从而使该问题概化成为有限圆管域

3、（主要指圆管内径有限）内柱状体形成的绕流流场特性研究问题。本论文结合国家自然科学基金资助项目“管道列车水力输送能耗研究”（51179116）和“动边界环状缝隙流水力特性研究”（51109155），采用理论分析，数值模拟及试验验证相结合的方法对有限圆管域内柱状体周围形成I太原理工大学博士研究生学位论文的绕流场特性进行分析和研究，主要研究内容如下：（1）针对柱状体的结构特点，就其对平直管道内水流产生的扰动影响所引起的流型及速度分布变化进行理论分析，对管流沿程压力变化及能耗的产生进行理论研究。（2）采用FLUENT模拟软件对不同雷

4、诺数条件下，单柱体在平直圆管域内形成的绕流进行数值模拟，采用数值结果分析了计算管域内绕流场的结构，主要分为：远离柱状体的流动符合圆管紊流速度对数分布形态；柱状体上游阻水范围内为低速高压区；主圆柱周围环隙空间为高速低压区；柱后尾流中，临近柱状体下游存在低速核心区，水流紊动剧烈，之后随水流逐渐减弱。此外，流场各特征空间内三方向速度分布、压力分布、涡量及柱体受力系数等特性均得到了详细的分析和描述，并在其中结合了对柱状体绕流流动机理的论述。（3）基于数值模拟结果，针对不同影响因素（柱型及管径）条件下的流场特性进行对比分析，得出不同因

5、素对该圆管域绕流场特性的影响作用，表现为：主圆柱长度的变化不改变轴向速度场结构，附属圆柱直径的增大会减小柱状体后低速核心区范围，这两个因素对柱状体表面压力分布影响较弱，且小幅影响系统阻力系数指标；增大主圆柱直径引起柱后低速核心区范围及系统阻力系数指标的明显增大；管道直径的增大会明显减小环隙高速区沿水流方向的发展长度及系统阻力系数指标值；主圆柱直径和管道内径是影响管域内压力及环隙进口位置处X、Y-速度分布的主要因素。（4）以无量纲分析及数值模拟结果得到了柱状体上、下游水体受强扰动影响范围的估测方法，通过拟合得到了该强扰动影响范

6、围系数与流量间的估算关系；同时，拟合得到强扰动范围内水流扰动能耗与流量间为乘幂相关关系。（5）对单柱体情况下的柱状体形成的同心环隙绕流结构中，主圆柱周II太原理工大学博士研究生学位论文GENERALIZEDMODELOFTUBE-CONTAINEDMATERIALHYDRAULICTRANSPORTATIONINPIPE—CHARACTERISTICSRESEARCHOFCONCENTRICANNULUSFLOWAROUNDACYLINDRICALBODYINTHEFINITETUBEDOMAINABSTRACTThetub

7、e-containedmaterialhydraulictransportationinpipeisanewtypeofmaterialconveyanceinthedevelopmentprocessofthelogisticsindustry.Ithasadvantagesofenergysaving,environmentalprotectionandsoon.Theproposedtransportformalleviateshighenergyconsumption,pollutionandotherproblem

8、sinthetraditionallogisticsindustrytosomeextent.Intheconductedstudyofthenewtypeoftransportation,someachievementsincarriageoperationconditionsandmo