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螺旋流研究进展及工业应用

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螺旋流研究进展及工业应用

靳文宇,李永业,张乐元,束德方

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西

太原030024)

[摘要]螺旋流是指同时存在轴向及切向速度分量,且切向速度的作用不能忽略的流动形式。螺旋流可分解成轴向流动与强制涡流,是涡线与流线重合的一种特殊流动。主要介绍了螺旋流在理论方面及工业领域的研究现状,为进一步研究螺旋流技术提供参考。[关键词]螺旋流;工业应用;理论进展[中图分类号]TV13

[文献标识码]A

[文章编号]1004-7042(2009)

螺旋流研究进展及工业应用

01-0066-02

螺旋流在自然界十分常见,如龙卷风、旋风分离、旋流器、涡管及管道系统中常见的螺旋流等。螺旋流

因其含有较大的涡量和动能,在流动中起着重要的作用,一直受到科学工作者的重视。螺旋流理论已在越来越多的领域得到了广泛应用。1研究进展

螺旋流常规产生方法一般有三种:安装导流片、切向进流及旋转管道。1985年日本白百合女子大学KiyoshiHorii等人用空气作为流动介质,在雷诺数分别为110×105及116×105的条件下,通过小孔径向向心射入的进流方式,用粒子显示出非常稳定的螺旋流的存在。1988年又发现流体通过“扩散管+弯头+收缩管”的装置后也产生了螺旋流。我国熊鳌魁等通过试验和数值模拟方法对其形成过程和机理进行了研究。

螺旋流的研究已经取得了不少成果。在水力机械方面,阎庆绂、马素霞对离心泵入口的旋流进行了试验研究,以探讨提高泵效率的途径。刘小兵等人研究了水轮机过水道道内沙粒的运动,以探讨沙粒对水轮机磨损的影响。彭龙生等人对压力缝隙螺旋流的消能特性,边壁切应力与压力分布及冲沙特性进行了试验研究。曹淑珍等人在小流量工况下对离心风机蜗壳内部的三维流动进行了测量分析。计算机技术的飞速发展为人们从事数值模拟铺平了道路,如:李仁年以螺旋离心泵为研究对象,选用标准k-ε模型,采用CFD软件Fluent数值模拟了该泵的三维内部流场;袁寿其等人对无过载离心泵叶轮内三维不可压缩湍流场也进行了数值计算;李玉星利用数值模拟技术,研究了水力旋流器内的压降及压力分布特性。

我国科研机构及学者在20世纪70年代末就开

注:本文系国家自然科学基金资助(50579044)。

始关注螺旋流在排沙输沙方面应用。如西北水利科学研究所王庆祥等较早进行了理论分析和模型试验,太

原理工大学陈仰吾等人研究用涡管排除水库泥沙,毛野对涡管排沙的研究进展作了综合性论述。20世纪80年代以来,新疆石河子农学院张开泉和刘焕芳针对渠系推移质问题提出了涡管螺旋流排沙,并对涡管螺旋流排沙中的涡管分流比、涡管载沙率及涡管排沙能力进行了研究和实践。周著、唐毅等针对水利枢纽首部排沙问题提出漏斗排沙。管道螺旋流输沙的原理是利用螺旋流较小的平轴旋转流动将易沉积于管道底部的粗粒拖拽“旋浮”于主流之中,因而能提高输送浓度并降低输送能耗。研究表明,螺旋流的流速分布有着与普通平直流不同的特点,运用圆管螺旋流的特性可以在管道中实现高浓度、远距离的泥沙输送。近年来,许多学者又进行了深入的研究。武汉理工大学王晓飞对管内螺旋流进行深度实验研究与分析。太原理工大学孙西欢对水平轴圆管螺旋流水力特性及固粒悬浮机理进行了试验研究。张羽等人用大量试验数据证实了断面切向流速呈线性分布的理论推导,并揭示了轴向流速分布的特殊性。张仙娥、孙西欢、兰雅梅试验研究了沿程起旋式螺旋管流阻力,并运用数值模拟方法探讨了圆管螺旋流速度场、压力场特性及其分布规律,为进一步研究螺旋流输送提供了有力的依据。张红梅等对旋流排淤器周围流体的流动进行了88必发国际娱乐模拟,应用有限元方法计算出其周围的流速场和压力场。张羽等人对圆管螺旋流的输沙特性进行了试验研究,林愉等人对圆管螺旋流局部起旋器的结构、阻力损失和起旋效率进行了研究。2工业应用

螺旋流早期主要应用于工业方面,如在燃烧技术、水力输送、旋风分离、射流技术、气力输送、机械加

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