0 引 言

螺旋流是由于特殊的流体边界和流体的特性相互作用而形成的一种具有旋转流场的流动形式[1-3]，在流体机械中，如水轮机的转轮内流场，水泵的叶轮内流场及锥形泵入口流场等均属于螺旋流[4-7]。螺旋流输移固粒具有分布均匀的优点，被广泛应用于粒状物料的输送，如：黑色冶金、有色冶金、煤炭、化工、电力、水利、城市建设等部门进行各种业精矿和尾矿、矿石、灰渣、粉煤、泥沙、城市污泥等浆体的管道输送。同时，螺旋流对空气的传热率和压降特征也有重要的意义。目前关于螺旋流的研究主要表现在流体通过固定螺旋发生器时产生的螺旋流，一是在管道的内壁安装导叶以此产生螺旋流。如，李永业等人通过在平直管段中增设扭曲导流片以此产生螺旋流，得出了测试断面的流速和涡量场分布情况。试验表明在导流片附近流速梯度较大，且旋涡向圆管中心靠近[8]。张羽等人以同样的方式产生螺旋流，得出了轴向、径向速度沿程的变化情况和旋流强度沿程衰减的变化过程[9,10]。林愉等人通过试验研究和理论分析探究了该方式产生螺旋流的阻力损失和起旋效率，从而优化导流片的结构参数[11]。Steenbergen W, Voskamp J通过在圆管内壁安装18个可调角度的叶片产生不同类型的螺旋流，并采用多普勒粒子测速仪测量不同Re情况下各类型螺旋流的衰变率，以旋流数螺旋流强度，螺旋流的衰变演化过程可拟合成指数函数。且将光滑管道中螺旋流衰减率的不确定度由50%下降到5%[12]。二是在管道内插入螺旋桨式或者不同螺距弹簧式螺旋发生器等。Betül, Ayhan Sarac, Tulin Bali以空气为介质，研究了不同Re条件下平直管道中内置螺旋桨式的螺旋发生器的结构参数(叶片的角度和叶片的个数)对衰变螺旋流的热交换和压降特征的影响[13]. Zohir, A.A等人对比了内置螺旋桨自由旋转和插入螺旋弹簧产生螺旋流对强化传热和压降的影响。内置螺旋桨管道和插入螺旋弹簧管道与普通管道相比，将传热性能分别提高了1.69倍和1.37倍。压力降分别增加了3倍和1.5倍[14]。而这些方式产生的螺旋流都存在沿程衰减的问题。为此，研究者开始探究螺旋流发生器运动时产生螺旋流的特性，目前研究的主要是运动的螺旋流发生器与管道之间的缝隙流的特性研究[15]，而对于螺旋流发生器上游和下游沿程的水力特性状况鲜有研究。运动的螺旋流发生器也是通过扭曲的导流片强制流体产生螺旋流。而导叶的径高比是螺旋流发生器的一个重要的结构参数，当导叶径高比较低时，其切入水流的深度较小，只能对靠近螺旋流发生器的流体起强迫导旋作用，而靠近管壁的流体只能靠螺旋流发生器周围的流体诱导成螺旋流，这种情况下，螺旋流强度较弱。反之，当导叶径高比较高时，其强迫导旋作用很强，但流体与导流体的摩擦面增大，形成较大的流动阻力。因此，本文主要针对这一问题展开研究，以水为流动介质，对运动导叶在不同径高比时产生的螺旋流水力特性进行研究，以寻求适当的导叶安装径高比。

1 试验装置和系统

本试验的运动螺旋流发生器命名为旋流器，主要由导叶、小圆柱筒(D=50 mm)、支脚三大部分构成。导叶为扭曲面，由厚度为5 mm的有机玻璃板制成，沿圆柱筒的四周等间距布设三条，用于产生螺旋流；圆柱筒两端密封；支脚主体呈圆柱状，前端为半球状，沿圆柱筒前后两端面呈120°等间隔角分别布设三个，并与管内壁的三个轨道恰好接触，其作用主要是使旋流器在运动时，旋流器的轴心和管道的轴心始终重合。旋流器的结构示意图见图1。

图1 旋流器结构示意图Fig.1 Structural representation of hydrocyclone

试验系统[15]由供水和调节系统、流量计量系统、旋流器投放与回收系统、旋流器制动系统、输水管路及测试系统组成。试验系统示意图如图2所示。

1-离心泵；2-闸阀；3-流量计；4-投放装置；5-制动装置；6-直管段；7-方形水套；8-LDV；9-旋流器；10-法兰；11-弯管；12-直管段；13-水箱；14-稳流栅板图2 试验系统布置示意图(单位：mm)Fig.2 Layout sketch of experiment facilities

旋流器通过投放装置(如图3所示)进入试验管路，然后由水泵将水由水箱抽入输水管道(管内径D1=100 mm，外径D2=110 mm)，输水管路上装有闸阀和涡轮流量计，闸阀用于调节试验工况所需流量，涡轮流量计用于计量流量。待流量调到试验流量工况，同时水流稳定后，打开制动系统释放旋流器，用LDV在测试断面对旋流器运动过程中的水力特性进行量测，测试断面距上游弯管出口15 m处，旋流器位于测试断面上游指旋流器运动到测试断面上游2 m处时，旋流器位于测试断面下游指旋流器通过测试断面运动到测试断面的下游，且距测试断面两米处的位置。水流最后经管道流入水箱，形成一个闭合的循环回路。