0 引 言

目前，运输业的能源损耗、环境污染等问题已成为社会关注的重要问题，农产品运输所依赖的传统运输方式已不能满足人们日益增长的运输需求，且现阶段常用的输送方式存在耗能高、污染大[1-3]等问题，筒装料管道水力输送技术的出现为农产品的运输提供了一个新的方向。筒装料管道水力输送技术属于囊体管道水力输送的范畴[4-6]，该技术主要是将农产品盛装并密封在圆柱状的管道车内部，并借助流体的推力实现管道车在有压管道内进行长距离运输，能够实现运输物品与输送介质分离，避免混掺[7]。

由于管道车车身加装了导流条，从而使管道车在管道内运移时有螺旋流产生，而螺旋流的产生又会反过来影响管道车的运动状态，因此，想要更好的对管道车运动特性进行研究，就要了解管道螺旋流的分布变化特性。Eills[8]通过模型试验对单个管道车运动速度进行研究发现，管道车运动速度随着管道车直径和水流雷诺数的增大而增大。Kroonenberg[9]构建了管道车在平直管道内做同心运动时的数学模型，推导出了管道车运动速度和环状缝隙流流速公式，并通过模型试验验证了公式的准确性。Ma等[10]研究了雷诺数为200时，管道车与管道间不同缝隙比下的缝隙流流动特性，分析了缝隙比从0.03到0.3间变化时缝隙流的流速、边界层流动的演变和尾迹流动的变化规律。Mohamed等[11]采用3种不同的湍流模型对长直圆柱型管道车与管道所形成的同心环状缝隙流场特性进行了研究，并对3种模型的计算精度进行了对比。Taimoor等[12-13]采用数值模拟的方法对单个管道车在直管、弯管以及垂直管段运移时的水力学特性进行了研究，并依据最小成本原则对输送系统进行了优化。郑伟[14]分别对不同导叶长度下静止单个管道车所形成的环状缝隙流特性进行了研究，探讨了环状缝隙内的水流速度、压强与导流条长度之间的相互关系。Zhang等[15]对不同导流条安放角下的单个管道车运动特性进行了研究，结果发现：管道车运动时的旋转角速度、运移速度均与导流条安放角呈正相关关系。Jia等[16]对管道车壁面的受力特性进行了分析，发现管道车壁面切应力随着雷诺数的增大而增大。综上可以看出，目前的研究多集中于静止或运动状态下的单个管道车的流场特性和运动特性，而对两个管道车同时运动的水力特性研究却少有涉及，而随着研究的不断深入和完善以及运输量的不断提高，两个或多个管道车必将成为今后研究的重点[17-18]。

管道车间流场的变化会对管道车的运动特性产生影响，而加强对管道车间流场特性的研究有助于更好的了解管道车之间的相互作用[19-20]。因此，本文通过水力学及统计学相关理论与模型试验相结合的方法对不同导流条安放角条件下管道车间断面的螺旋流流速特性进行研究，以期为筒装料管道水力输送技术参数的优化提供一定理论依据。

1 试验系统与方案

1.1 试验装置与管道车结构

本试验系统主要由抽水及流量调节系统、试验管道系统、仪器量测系统3部分组成。其中抽水及流量调节系统由钢水箱、离心泵、电磁流量计组成；试验管道由内径为100 mm，壁厚为5 mm的有机玻璃圆管组成，有机玻璃圆管之间由法兰相连；流速测量仪器为粒子图像测速仪。试验系统如图1所示。

1.离心泵 2.闸阀 3.电磁流量计 4.计算机 5.矩形水套 6.粒子图像测速仪 7.钢水箱 pump valve flowmeter water jacket image velocimetry 7.Steel water tank图1 试验系统Fig.1 Test system

试验开始前先将管道车固定在测试管段以形成完整回路，通过标定板对相应的测试断面进行标定，之后利用坐标架对激光和相机进行调节，使得相机找到相应的测试断面。标定完成后在钢水箱中加入水和示踪粒子，通过离心泵将钢水箱中的水抽入管道中，利用闸阀对管道内的流量进行调节，并通过电磁流量计来观察管道内流量的大小，待管路中的水流稳定之后通过粒子图像测速仪对研究管段内的水流速度进行测试，然后根据研究管段上标定的坐标值得出相应测试断面位置对应的测点速度值，最终利用surfer软件绘制出相应测试断面的速度分布云图。

本研究的管道车结构主要由料筒、支脚、导流条3部分构成。其中：料筒为5 mm厚的有机玻璃空心圆柱，其长度L为150 mm，外径D为70 mm，厚度为5 mm；管道车前后两端各安装3个支脚，每两个支脚之间夹角为120°；导流条由厚度为3 mm，高度为10 mm的有机玻璃加工制作而成，等间隔粘结在料筒的外表面。安装导流条时，将其和支脚错开，并按120°等间隔角布置。管道车结构示意图如图2所示。导流条安装时进水端的切线与水流方向平行，出水端末端的切线与水流方向之间形成的锐角θ定义为导流条安放角，导流条安放角示意图如图3所示。