垂直螺旋管道内单颗粒运动受旋转科氏力影响的试验研究

张志雁，牧振伟，杨力行

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052;2.新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

当研究对象相对于动参考系发生运动时，则该研究对象受到科氏惯性力(简称科氏力)作用。该力的数学表达式为

科氏力可以分为地转科氏力和旋转科氏力。地转科氏力对大尺度的河流、湖泊、海湾等水域水流的影响已是公认的事实［1－4］，在小尺度旋转流体运动过程中地转科氏力一般忽略不计［5］。而关于小尺度低速度旋转流如天然含沙水流弯道或人工弯道、排沙漏斗中颗粒所受旋转科氏力的研究尚不多见［6－9］。

本文采用高速摄影方法，拍摄记录并研究垂直矩形螺旋管道内球形单颗粒运动形态，采用单颗粒动力学模型，以探求颗粒在旋转水流中受旋转科氏力的特性。

1 试验装置与材料

1.1 试验装置

试验模型装置(见图1)的进流量可由进口阀门和出口阀门协调控制。模型装置有溢流和回流，整个试验装置为具有恒定水头的自循环系统。试验单颗粒从颗粒导入管进入螺旋管道。

图1 试验模型装置Fig.1 Equipment for the test

矩形螺旋管道模型的几何参数为:有机玻璃管道截面尺寸为30mm×17mm矩形;螺旋管道由长210mm垂直进口段，管轴半径为R=185mm的1/4圆，及管轴半径分别为R=165mm，125mm，85mm和R=145mm，105mm，65mm等不同半径的半圆结构组成。

1.2 试验材料

试验颗粒选用塑料小圆球，粒径dP=5.85mm，密度ρp=1.235 g/cm3。所用的仪器有电子天平、高速摄像机等。

2 试验方法与工况

试验采用称重法量测水流流量。采用高速照相机捕获单颗粒运动轨迹。……