變徑管道流場(chǎng)分析

李永峰

（濟(jì)鋼集團(tuán)總公司中厚板廠，濟(jì)南 250101）

在液壓系統(tǒng)中，很多因素都影響著系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，管道也是其中之一。液體在管道內(nèi)流動(dòng)，主要呈現(xiàn)出層流和紊流兩種狀態(tài)，管道形狀直接影響著這兩種狀態(tài)的變化［1］。變化的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生的液阻帶來(lái)了壓力損失，這就表明壓力損失與管道形狀和變化管徑有很直接的關(guān)系。壓力損失會(huì)直接造成系統(tǒng)發(fā)熱［2］，因此合理的管道變化有利于減低能耗、降低壓力損失。

在以往的研究以及實(shí)踐中都證明，適當(dāng)?shù)墓艿篱L(zhǎng)度能得到最低的管道壓力損失。近年來(lái)，在流體系統(tǒng)中，集成化已成為發(fā)展的趨勢(shì)，因此，一些突變截面在實(shí)際應(yīng)用中不可避免。流體經(jīng)過(guò)截面突變管時(shí)，由于截面積、流動(dòng)方向的急劇變化，流體間的摩擦，碰撞都會(huì)急劇增加，形成渦流［3］，從而產(chǎn)生局部壓力損失。突變截面也分多種情況:進(jìn)口大出口小、進(jìn)口小出口大、管路分流或節(jié)流。

1 管徑突然縮小流體流動(dòng)狀態(tài)

在閥臺(tái)、油路體、閥與閥臺(tái)的連接處、管道與閥臺(tái)的連接處、閥體內(nèi)部均可見到突變截面。本文模擬所采用流體為水，不考慮粘度的影響。

圖1 突然縮小管1Fig.1 Size diminished unexpected 1

圖2 突然縮小管2Fig.2 Size diminished unexpected 2

從圖1、圖2可以看出，在半徑突變處，大徑周圍形成了渦流，同時(shí)半徑變小處有強(qiáng)烈的渦流，形成的渦流，使周圍的壓力急劇降低，進(jìn)而形成真空，在此作用下，充斥在管道中的空氣爆破，多次反復(fù)作用，終將造成振動(dòng)、氣蝕等破壞［4-5］。流動(dòng)方向的驟然變化也引起流體對(duì)管壁的劇烈沖擊。兩圖對(duì)比可以看出，當(dāng)管徑差大時(shí)，流體的變化速率加快，在變徑處形成的渦流也比變徑小時(shí)大。穩(wěn)定的層流狀態(tài)經(jīng)過(guò)突變后，流體的特征也變成紊流，壓力流體的力在各個(gè)方向上作用于通道，形成對(duì)管壁處形成集中、強(qiáng)烈的沖擊。這符合流體力學(xué)的伯努利方程［6］:

式中:p1、p2分別為大、小通徑管道的壓力；

u1、u2分別為大、小通徑管道的流速；

hj為壓力損失，h= ζ*=0.5（1-A2/A1）.

假設(shè)流體為不可壓縮，根據(jù)流量連續(xù)性方程:

上式中:Q為系統(tǒng)流量；A1、A2為大、小通徑管道面積。

聯(lián)立上兩式，可知，系統(tǒng)的壓力損失隨著管徑變化的增大逐漸增大。

必須采取有效手段來(lái)減少液壓沖擊，對(duì)系統(tǒng)及元器件加以保護(hù)，以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，通常采取的措施是變徑接頭，圖3、圖4是對(duì)采取變徑接頭后變徑處流場(chǎng)的分析結(jié)果:

從圖3、圖4的分析結(jié)果不難判斷出，管道中的流體在經(jīng)過(guò)緩慢的角度變化后，輸入層流有較小改變，但在經(jīng)過(guò)變徑后迅速恢復(fù)為層流，因此管道內(nèi)的流體狀態(tài)穩(wěn)定，沒(méi)有強(qiáng)烈的動(dòng)量變化形成沖擊，這滿足理想的流體狀態(tài)，有利于液壓元器件的安全使用。

式中:α——變徑處夾角；

圖3 變徑縮小接頭處流場(chǎng)1Fig.3 Flow field of contraction reducer joint 1

從上式的分析可以看出，緩慢的變徑，減小了壓力損失。確保了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。但同時(shí)管徑變化大依然有較小的流體對(duì)管道或元器件形成沖擊，但同圖1、圖2相比已經(jīng)很小。同時(shí)在方向的變化也沒(méi)有形成渦流等影響系統(tǒng)響應(yīng)的因素，在源頭環(huán)節(jié)將干擾量降到最低。

圖4 變徑縮小接頭處流場(chǎng)2Fig.4 Flow field of contraction reducer joint 2

2 管徑突然增大流體流動(dòng)狀態(tài)

突然擴(kuò)大管徑的應(yīng)用類似于突然縮小管，如油液流進(jìn)液壓缸、管道進(jìn)油口等。

圖5、圖6分別表示不同輸入管徑，在相同壓力、相同流速下的變徑接頭處流場(chǎng)變化情況。從上兩圖可以看出，二者在變徑處都形成了渦流，但通徑變化大的形成的渦流范圍比變化小的大。通突然縮小通徑相比，突然擴(kuò)大管的流體基本上未產(chǎn)生管道徑向方向上的力。這種管道連接方式最大的缺陷就是管徑擴(kuò)大處存有大量的空氣，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多次的排氣才能將內(nèi)部空氣排除。

圖5 突然擴(kuò)大管1Fig.5 The unexpectedly size-enlarged size 1

圖6 突然擴(kuò)大管2Fig.6 The unexpectedly size-enlarged size 2

圖7 變徑擴(kuò)大接頭處流場(chǎng)1Fig.7 Flow field of expansion reducer joint 1

圖8 變徑擴(kuò)大接頭處流場(chǎng)2Fig.8 Flow field of expansion reducer joint 2

該類型管道的壓力損失也可根據(jù)式（1）的伯努利方程來(lái)分析，主要的變化時(shí)壓力損失:

式中:ζ=（1-A1/A2）2；A1、Q=A1u1=A2u2分別為進(jìn)、出管道面積；

式（4）表明，管道面積差越大，壓力損失越大，并且隨著面積比的減小呈拋物線形增大。

通過(guò)對(duì)變徑接頭處的分析，可以看出，適當(dāng)變徑有助于改善流體的系統(tǒng)特性，使流體在管道內(nèi)呈現(xiàn)出良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)圖7、圖8可知，通徑變化過(guò)大仍將在變徑處形成一定的不穩(wěn)定流動(dòng)。利用式（3）分析可知，流體的損失仍然不可避免，但同圖5、圖6相比，已經(jīng)很小。

3 結(jié)論

（1）突然變徑的不但造成極大的壓力損失，并且由于壓力的突變或形成的渦流會(huì)對(duì)系統(tǒng)管路及元器件造成損害，如氣蝕、振動(dòng)等；

（2）合理的變徑措施，如采用變徑接頭等能消除在變徑處的壓力劇烈波動(dòng)，減小壓力損失，更重要的是降低渦流的形成幾率，減少氣蝕、震動(dòng)等影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的不利因素；

（3）即使采用變徑接頭，管徑的變化也不宜過(guò)大，否則仍將造成少量的空氣存留和紊流，特別是伺服系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性要求高的場(chǎng)合，更要慎之。

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

［1］蘇銘德，黃素逸.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.

［2］郭星輝.流暢管道振動(dòng)問(wèn)題研究［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2001.

［3］梁在潮.工程湍流［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1999.

［4］張瑾瑾，趙子龍.流體在管道中流動(dòng)時(shí)管道的自振特性研究［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，8（4）:330-333.

［5］張柱，晉艷娟，崔小朝，等.湍流式冷卻器流場(chǎng)壓力場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（6）:491-495.

［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第4卷［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.