0 引 言

螺旋流是指流体在轴向运动的同时叠加了切向(或称周向)速度而形成的旋转运动。其在工业上有广泛的应用，如在射流技术、燃烧技术、气力输送、旋风分离和内燃机等方面。

S.WANG等^[1]研究发现：螺旋流流场壁面处压力较大，而中心的压力较小；切向速度在离管道中心不到一半处达到最大。孙西欢^[2]试验研究了水平管的螺旋流轴向流动特性，并导出了截面压强分布公式。林愉等^[3]对圆形管局部回转装置结构中的螺旋流阻力损失进行了研究，发现可以采用达西公式计算出螺旋导流叶片局部的旋风阻力损失，不同之处仅在摩擦因数。A.E.ZOHIR等^[4]研究了含有螺旋桨式起旋器的水平管内气流流动压降变化规律，发现流动形态受起旋器安装位置的影响很大。S.W.CHANG等^[5]研究了在喷射状态下的螺旋流传热特性与压降特性，结果表明:随着过流量的增大，螺旋流黏性系数以及压降均逐渐增大，并且压降系数和静态光滑管相比亦有显著增加。常州大学王树立课题组在螺旋流管道流动方面做了大量基础研究，进行了以扭带起旋产生气液两相螺旋管流的试验研究，结果表明：出现螺旋弥散流时，气液两相混掺程度增大、气液两相接触面积增加，气液两相传质速率加快，从而起到促进天然气水合物生成的作用^[6]。另外，与其他流型相比较，螺旋弥散流的压降梯度最小^[7]，减小了压能损耗，为天然气水合物的生成提供了更大的驱动力。同时该课题组还对液相螺旋流流场分布进行了测量研究，利用LDV研究了螺旋流的衰减、平均雷诺数、起旋角度、叶轮面积对轴向速度分布以及切向速度分布的影响，对以叶轮起旋的螺旋流衰减规律进行了理论推导分析，指出以叶轮起旋的螺旋流基本上呈指数衰减，并推导出衰减的公式^[8]。

目前，对螺旋流的研究基本都在水平或者垂直管道内，对倾斜管道的研究较少，而且螺旋流的压降公式计算与推导也相对较少。因此，为了考察由自转式螺旋扭带诱导产生的液体单相螺旋管流压降特性，试验研究了在不同管道倾角、不同扭率扭带起旋的情况下，管道螺旋流的压降变化规律，并进行了液体单相螺旋管流压降计算公式的推导。

1 试验系统和试验方法

试验管段采用长2 m，内径25 mm的全透明有机玻璃管，其前端管道可以放置长0.4 m的扭带。试验管段前后均用软管连接以便调整管道倾角，倾角变化范围0°~15°。试验介质为蒸馏水，液相流速0~3 m/s，试验在常温下进行。试验平台如图 1所示，运行流程为：水箱中的水经过水泵升压后分2路进入试验系统，一路经过起旋器生成螺旋流进入试验管段进行螺旋流管道压降试验，最后重回水箱循环使用；另一路作为系统旁路以满足系统流量和压力的调节需要。

试验开始前，需认真检查整个系统，确保所有阀门处于关闭状态后，接通电源并打开试验平台控制面板。依次打开试验管段内的电磁阀及系统旁路阀门，然后打开离心泵。待水流稳定后，缓慢开启试验管道的调节阀，通过阀门控制流量，开始试验。

试验通过控制变量法对压降特性进行研究，通过改变流速、螺旋扭带扭率、管道倾斜角度研究螺旋流对流体压降的影响。扭带由高分子材料制成，共选取3种扭率的自传式螺旋扭带，其参数见表 1。

2 影响因素分析 2.1 液相流速对压降的影响

图 2是在放置扭带a的管道中，管道压降与流速的关系曲线，描述了不同倾角情况下压降的变化规律。从图中可以看出，管道压降随流速增加而变大，并表现出抛物线规律。这说明试验中压降与流速的平方成正比，与达西公式相符。

2.2 扭率对压降和入口压力的影响

图 3是在水平管道中，管道压降与液体流速的关系。从图中可以看出，扭率越大，压力损失越大。在管道入口处添加扭带产生螺旋流并导致管道压降变大，可能有2个原因：一是流体经过扭带生成螺旋流，螺旋流的流速由轴向速度和切向速度组成，这就导致流体的轴向速度下降。流量不变时，轴向流速降低，管道压力增高，流体经过管道时产生的摩阻损失会变大，这会导致添加扭带管道的压降大于无扭带管道的压降。同时扭率越大，螺旋流的切向速度越大，轴向速度损失越大，压降也就越大；二是在管道入口添加扭带，产生螺旋流的同时也会扰动流体流动，增加了流动过程中的阻力损失。

图 4是在水平管道中，入口压力与液体流速的关系。由图可以看出，入口压力随流速的增大而增大，并在流速较大时急剧增大。扭带的扭率对入口压力的影响并不明显，但与无扭带的试验结果有明显不同。可能原因是通过扭带生成螺旋流的过程中，部分轴向速度转化为切向速度，轴向速度下降，导致压力变大。

2.3 倾斜角度对压降的影响

图 5是不同倾角下，管道压降与液体流速关系。由图可以看出，倾斜角度越大，管道压降越大。这是因为在倾斜管道输送的流体不仅要克服摩擦阻力，同时还要克服重力，这必然会消耗管道流体的压力势能。

2.4 倾斜角度对入口和出口压力的影响

图 6和图 7分别是不同倾角下，入口和出口压力与液体流速的关系。从图中可看出，入口压力随流速增大而增大，但是与管道的倾角没有明显的关系。管道出口压力随流体流速的增大而增大，随倾角增大而减小。这说明随管道倾角的增大，管道的压力损失越大，流体的部分压能转化为重力势能。

2.5 平直流与螺旋流压降比较

图 8和图 9分别是水平管道和15°倾角管道中，有无扭带时压降与液体流速关系。由图中可看出，无论在在水平或倾斜的管道中，螺旋流的压降仍高于水平流压降，同时含扭带管道的压降不仅高于无扭带管道，斜率也略大。这些与水平管道试验所反映的规律相符，说明螺旋流对倾斜管道的压降没有特殊影响。

3 计算模型

根据试验结果，流体在扭带的起旋作用下做螺旋移动，仍然属于水平管内的普通压降计算，因此采用Darcy-Weisbach公式作为管道沿程摩阻损失计算模型，即：

(1)

为了分析方便，统一采用水力坡降作为比较对象，水力坡降公式为：

(2)

式中:h_f 为管道沿程摩阻损失，m；λ为管道沿程摩阻损失系数；L为管道计算长度，m；D为管道内径，m；v为管道内介质流动速度，m/s；g为重力加速度；i为管道水力坡降。

对于水平管流动，Reynolds计算公式为：

(3)

式中:d为管道内径，m；υ为流体运动黏度，m²/s。

流体流速范围为0.5~3.0 m/s，当流速为0.5 m/s时，根据公式(3)得出：

因此，试验过程中所有流动均处于紊流状态，且紊流处于水力光滑管，试验过程中雷诺数Re范围是4000≤9 571≤Re≤57 426≤10⁵。

摩擦阻力系数采用布拉休斯公式：

(4)

考虑到管道内流体以螺旋流的形式向前运动，而且根据表 2的试验数据可以发现，螺旋流浆体流动压降较平直流有所增加。螺旋流是由扭带起旋的，扭带的扭率对压降有重要影响，因此定义螺旋阻力系数α，表达式为：

(5)

式中:Y为扭带扭率；a、b为系数。

根据表 2中试验数据回归出系数a和b分别为0.673和0.132，因此螺旋阻力系数表达式为：

(6)

水平管内螺旋流的压降计算公式为： h_f=αλLD·v²2g=

(7)

水力坡降表达式为： i=h_fL=λD·v²2g=

(8)

为了验证模型的精确度，选取试验中的典型数据点，将计算值与实测值进行比较，结果见表 2。由表可知，除个别点误差较大外，其他计算值与实测值较接近，误差基本都在15%以内，因此该模型可以作为螺旋流压降计算模型。

4 结 论

(1) 影响管道单相螺旋流压降变化的主要因素是流体流速，其次是管道倾角和螺旋强度。管道压降随着液相流速、扭带扭率及倾斜角度增大而增加。

(2) 随着液相流速和扭带扭率增大，管道进、出口压力均呈增大趋势。管道倾角仅影响出口压力，对入口压力影响较小。

(3) 在水平或倾斜管道中，螺旋流的压降均高于平直流压降；含扭带管道的压降不仅高于无扭带管道，斜率也略大。

(4) 利用试验数据以Darcy-Weisbach公式为基础，给出了适合液体单相螺旋管流的压降计算模型。压降计算值与实测值较接近，误差基本在15%以内。