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园筒和园柱间环形流动泰勒旋涡流动

发布日期: 2011-12-13
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若内园柱与外园筒之间的间隙很窄,只要雷诺数还未到达旋转转换点雷诺数,则流动状态始终是层流。如果间隙足够大,并且旋转速度达到临界速度时就会出现泰勒旋涡流动的二次(辅助)流动状态。这些涡流围绕着旋转轴线呈环状流动(图2-18),大约为间隙高度的两倍。泰勒从数学上分析了形成旋涡时的临界旋转速度,并通过实验验证,标志着泰勒旋涡出现时的泰勒准数为(h0/R1<<1, l=2h0

2-72

2-72a

2-18  园筒和园柱间泰勒旋涡流动

而雷诺数为

2-73

式中 Rtr、ωr——出现泰勒旋涡时以雷诺数与角速度;

h0R1R2——分别为园筒与园柱间的平均间隙、园柱外半径和园筒内半径。

卡雅和爱尔格观察到,当旋转速度从临界值开始增加时,泰勒旋涡一直保持它们的形状不变,直到旋转速度增大到某一特定值。可以观察到泰勒旋涡的形成完全不同于紊流的形成。当内园柱的转速增加到很大值时,环隙中的流动变成为紊流,而涡流是叠加在紊流波动之上的。如果旋转速度进一步增大,可观察到泰勒旋涡首先被扭曲,接着完全消失,只留下纯紊流流动。

卡雅和爱尔格判定,当存在纯轴向流动时同轴的园筒与园柱之间有四种流动模式:

1.纯层流流动;

2.纯紊流流动;

3.层流加泰勒旋涡

4.紊流加泰勒旋涡。

这些流动模式取决于内园柱的旋转速度和轴向平均流速(如图2-19所示)。

2-19  有轴向流动和内园柱旋转的环形空间中的四种不同流态

在有轴向流动和园周运动(如在缝隙密封中)时,临界泰勒数有所提高(图2-20)。

2-20  轴向流动对泰勒旋涡形成的影响

2-21给出相对偏心距对临界泰勒准数的影响。

2-21  偏心对临界泰勒数Te的影响(ε-相对偏心距)

对同轴园筒与园柱间的流动结构研究结果可归纳如下:

1.在液流核心中产生旋涡而其径向尺寸小于径向间隙,(高温泵)因此,在旋涡与边壁之间仍然是无旋涡层流。看来这是由于产生泰勒旋涡时阻力增加不大的缘故;

2.旋涡的轴向尺寸为(1.5~1.7)h0

3.当具有轴向流动时Re/ReZ>4,旋涡的尺寸和形状几乎不变,旋涡轴向移动的速度几乎等于轴向平均速度;

4.当Re/ReZ<4时旋涡遭到破坏,同时形成具有大量旋涡的紊流结构,旋涡尺寸与间隙相同。

同样也可以用旋转雷诺数Rer和轴向雷诺数ReZ来区分前面所述的四个旋转园柱与外园筒间流体的流动状态(图2-22)。

对环隙阻力产生zui大影响的旋转是在紊流区(区域Ⅲ及Ⅳ)。在纯层流区的同轴园筒内旋转对通过隙缝的流量无影响,而在旋涡层流工况下,如上述影响很小。如果两筒不同轴,则在层流流动时旋转有影响。至于通过缝隙时为紊流,则与通过不转偏心园筒间隙的紊流动相同,在zui大偏心距时流量变化不超过20%,可以认为偏心的影响很小。

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