近无阻尼态下柔管自激振动减阻效果的实验研究

　　0　引　言

　　为解决全球可持续性发展与能源渐枯和人口增加及工业高速发展所带来的能源需求倍增之间矛盾,节能减阻技术开发凸显重要。管路的流体输送基本上是紊流形态,因此紊流减阻是高效输送流体的必然要求。紊流减阻方法的着眼点在于改变固壁边界层紊流结构,尽量减少边界层内部的能量耗散。如何开发具有与固壁边界层的紊流结构相互响应的柔管流体输送技术,以降低流体运输阻力,自文献[1]对柔性固壁紊流边界层的减阻效果报告以来,很多学者从实验层面进行了积极的研究[2]。但对柔管减阻的研究除文献[3]外尚未见其它报道。在内部压力随流量工况变化下,柔管管径会发生变化,但却无法准确测出每一流量工况下的实际管径,此时,如何准确评估对与紊流场具有脉动响应特性即柔管的自激振动单独的减阻效果,是这一研究领域的实验难点之一。为此,首先在管外为大气压工况下,使用层流的理论管径计算管摩系数,在充分确认柔管具有减阻效果之后,采用双重管结构,再对管外分别为压力平衡水及空气的工况下进行压损测定,由于管径基本不变,在双重管测试结构条件下减阻率可以认为是柔管自激振动的单独减阻效果。以下为叙述方便起见,将管外的3种实验工况分别称之为A、B、C。

　　1　实验装置及实验方法

　　1·1　实验材料

　　实验材料为壁厚分别为2 mm、3 mm、4 mm,公称内径同为12 mm,弹性模量及泊松比分别为E=3·7 MPa和μ=0·45的3种半透明柔性硅胶圆管。

　　1·2　实验装置

　　实验装置如图1,图2为测试部分双重管结构示意图。

　　1·3　实验方法

　　为证明实验装置的可信赖性,在正式实验前,使用内径为13 mm,壁厚为3 mm的透明玻璃纤维刚性管作测试管,进行了预备实验。实验结果表明:在层流阶段管摩系数实验点与层流理论公式λ=64/Re的最大偏差为0·9%;在紊流阶段与Blasius的经验公式最大偏差0·7%,说明实验装置足够可信。首先在工况A下进行压损测定,待确认柔管确有减阻效果后,再通过双重管结构进行工况B、C的测试。流量通过下游阀门调节,压力空气注射使用注射器。为使压损的测定具有较高精度,根据压损大小,分别采用5 mmAq、60 mmAq、100 mmAq、200mmAq 4种压差传感器分档测量。

　　2　实验结果分析

　　2·1　管径求算

　　根据文献[4]中的Bender的经验公式,管内完全层流所需的发展距离为:0·056 6Red,在完全发展层流应与层流的理论管摩系数公式完全一致前提条件下,可按照下式反求出管径:

　　式中:ρ为水的密度(kg/m3);L为压差测试区长度(m);v为水的运动黏度(m2/s);Q为流量(m3/s);Δp为压差(N/m2)。对使用式(1)计算的管径数据组施以最小二乘法找出一个有效管径de作为该测试管的管摩系数计算用管径。