PVC連接彎頭的水力特性數(shù)值模擬

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PVC連接彎頭的水力特性數(shù)值模擬

史皓男賈佳

(遼寧省康平縣水利局，遼寧 康平110500)

【摘要】為了研究PVC彎頭的局部阻力和水流流態(tài)特征，對DN50和DN75兩種PVC承插式90°彎頭的水流特性利用CFD中的fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：不同管徑彎頭的局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線的變化趨勢基本一致，壓力在彎頭拐角外側(cè)壓力最大，在下游管段內(nèi)側(cè)靠近彎頭的位置壓力最小。

【關(guān)鍵詞】PVC彎頭;局部阻力系數(shù);雷諾數(shù);速度場;壓力場

彎頭是常見的管道連接件之一，優(yōu)點(diǎn)是連接操作簡便、施工快捷、節(jié)約成本和時(shí)間等，但是因?yàn)槠鋵λ牧鲬B(tài)改變較大，局部水頭損失較大。蘇聯(lián)專家依德利契克在《流體阻力手冊》(第二版)中對流體阻力試驗(yàn)研究成果進(jìn)行了總結(jié)，可以為彎頭的阻力計(jì)算起到一定的參考作用。但是該書的成果受到當(dāng)時(shí)材料的限制，計(jì)算復(fù)雜，取值保守，特別是現(xiàn)代新材料、新工藝下，管道的糙度等已發(fā)生了很大的改變，該書已不能很好地計(jì)算這些變化后的阻力。張淼[1]、何玉[2]等人對彎管的局部阻力損失系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，得到了常見彎管的局部阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式、彎管的局部阻力和流場特征、局部能量損失系數(shù)表達(dá)式、氣流在彎道中的阻力變化和能量損失的規(guī)律和局部水頭損失和雷諾數(shù)的關(guān)系。此次為了研究PVC彎頭的局部阻力和水流流態(tài)特征，對DN50和DN75兩種PVC承插式90°彎頭的水流特性進(jìn)行了試驗(yàn)，利用CFD中的fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果反映了管徑和局部阻力系數(shù)的關(guān)系，分析了該彎頭的速度場、壓力場，進(jìn)而找到引起彎頭能量損失的原因。

1計(jì)算流體力學(xué)的基本理論

計(jì)算流體力學(xué)是在經(jīng)典流體力學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)求解，在時(shí)間和空間維度內(nèi)對流場進(jìn)行定量的數(shù)值求解和對流體的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行分析的方法。其特點(diǎn)是既能用數(shù)學(xué)的方法求出問題的定量結(jié)果，又能不受試驗(yàn)條件、觀測手段等的限制對試驗(yàn)進(jìn)行模擬。通過計(jì)算機(jī)在數(shù)值計(jì)算和圖像顯示方面的強(qiáng)大功能，可以對流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)和輻射傳熱等物理現(xiàn)象做出較全面的分析[3]?，F(xiàn)在流體流動(dòng)方面的研究方法有計(jì)算流體力學(xué)、理論分析和試驗(yàn)測量等類。理論分析方法應(yīng)用范圍廣，與影響因素關(guān)系明確，計(jì)算結(jié)果具有普遍性，是其他方法的理論基礎(chǔ)，缺點(diǎn)在于需對具體的現(xiàn)象進(jìn)行簡化，對大部分非線性流動(dòng)問題不能得到解析解；試驗(yàn)測量方法得到的是真實(shí)的結(jié)果，能驗(yàn)證理論和數(shù)值分析的正確性，但是受模型尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)條件、測量精度等因素的制約，加上實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)往往很難準(zhǔn)確地被試驗(yàn)?zāi)M，因此要想得到正確滿意的結(jié)果，也存在一定的難度；計(jì)算流體力學(xué)可以在計(jì)算機(jī)上通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)際流體流動(dòng)試驗(yàn)，可以直觀地反映結(jié)果。

2彎頭試驗(yàn)方法

彎頭試驗(yàn)裝置的布置見圖1。試驗(yàn)選用DN50和DN75兩種型號(hào)的PVC承插式90°彎頭(見圖2)，外徑分別為50mm和75mm，對應(yīng)的內(nèi)徑分別是44mm和67.8mm。試驗(yàn)時(shí)，先在蓄水池中加水，然后利用水泵將蓄水池中的水抽吸至恒壓水箱中，通過恒壓水箱向試驗(yàn)管道中注入水流，經(jīng)彎頭上游管、彎頭、彎頭下游管后流入回水管，最終回流至蓄水池中。

圖1　彎頭試驗(yàn)裝置布置示意圖

圖2　試驗(yàn)用彎頭

彎頭中的流量用電磁流量計(jì)量測，安裝位置見圖1，測量精度為±0.2%；在彎頭上游10倍管徑和下游管道20倍和30倍管徑的位置安裝精度為0.1%的硅壓阻壓力傳感器量測，試驗(yàn)之前還要對壓力傳感器、流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)管路中壓力通過調(diào)節(jié)閥控制，試驗(yàn)裝置的電源采用穩(wěn)壓電源供電。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系

在一些特定的管道中，流體流動(dòng)的阻力系數(shù)只與流體的流態(tài)有關(guān)?？梢詼y定彎頭在通過不同流量流體時(shí)的阻力系數(shù)和雷諾數(shù)，通過擬合或者作圖等方法，就可以得到阻力系數(shù)和雷諾數(shù)兩者之間的關(guān)系。由于不同型號(hào)的PVC承插式90°彎頭的形狀基本相當(dāng)，此次利用GAMBIT建立了DN32、DN40、DN110和DN140這四種型號(hào)彎頭的幾何模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同管徑彎頭局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

由圖3可知：不同管徑彎頭的局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線的變化趨勢基本一致，當(dāng)雷諾數(shù)不大于0.5×105時(shí)，曲線的斜率較大，局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變大而快速變小，當(dāng)雷諾數(shù)繼續(xù)增大超過一定數(shù)值后，局部阻力系數(shù)接近一個(gè)數(shù)值，后隨雷諾數(shù)的變大，基本不變。

在實(shí)際工作中，往往要估算彎頭的局部阻力系數(shù)，是因?yàn)樵诠芫W(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果不能準(zhǔn)確地確定各種不同型號(hào)彎頭的局部阻力系數(shù)，就會(huì)忽略管徑變化對水頭造成的損失，這樣的設(shè)計(jì)很難做到既符合實(shí)際又比較經(jīng)濟(jì)。實(shí)際管網(wǎng)中的水流通常處于阻力平方區(qū)，找到處于阻力平方區(qū)的彎頭的局部阻力系數(shù)和管徑之間的關(guān)系，對管道的合理設(shè)計(jì)具有重要意義。根據(jù)六種型號(hào)彎頭的模擬試驗(yàn)結(jié)果，對各個(gè)型號(hào)彎頭分別選擇5組處于阻力平方區(qū)的結(jié)果，再求平均值，結(jié)果見下表。

不同管徑彎頭局部阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

3.2　模擬流場分析

根據(jù)模擬承插式90°彎頭管內(nèi)水流速度場試驗(yàn)，Z=0時(shí)XY截面的速度場云圖如圖4所示。

圖4　彎頭速度場模擬結(jié)果

由圖4可見，不同管徑在同一流量下和不同流量在同一管徑下的速度場的分布基本相同。水流在經(jīng)過彎頭上游管時(shí)流態(tài)較穩(wěn)定，流速穩(wěn)定，在經(jīng)過彎頭時(shí)，由于受到離心力的作用，水流流向下游時(shí)開始分離，并在彎頭外側(cè)角形成湍流，速度變化很大，在彎頭下游側(cè)靠近外壁面處速度最大，在其內(nèi)側(cè)速度最小，水流的能量損失主要發(fā)生在彎頭拐角及其下游管段靠近拐角的一段。管內(nèi)的壓力沿管道呈逐漸減小的趨勢，在彎頭拐角外側(cè)壓力最大，在下游管段內(nèi)側(cè)靠近彎頭的位置壓力最小。流體的壓力主要在沿程流動(dòng)過程中和通過彎頭時(shí)發(fā)生了損失，在彎頭拐角處水流有漩渦、氣穴和強(qiáng)烈撞擊現(xiàn)象發(fā)生。

4結(jié)論

不同管徑彎頭的局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線的變化趨勢基本一致，當(dāng)雷諾數(shù)不大時(shí)，曲線的斜率較大，局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變大而快速變小，當(dāng)雷諾數(shù)繼續(xù)增大超過一定數(shù)值后，局部阻力系數(shù)接近一個(gè)數(shù)值；實(shí)際管網(wǎng)中的水流通常處于阻力平方區(qū)，找到處于阻力平方區(qū)的彎頭的局部阻力系數(shù)和管徑之間的關(guān)系，對管道的合理設(shè)計(jì)具有重要意義；不同管徑在同一流量下和不同流量在同一管徑下的速度場的分布基本相同，水流在彎頭下游側(cè)靠近外壁面處速度最大，在其內(nèi)側(cè)速度最小，水流的能量損失主要發(fā)生在彎頭拐角及其下游管段靠近拐角的一段；管內(nèi)的壓力沿管道呈逐漸減小的趨勢，在彎頭拐角外側(cè)壓力最大，在下游管段內(nèi)側(cè)靠近彎頭的位置壓力最小。

參考文獻(xiàn)

[1]張淼.生活排水管道通水能力測試方法及相關(guān)問題探討[J].給水排水,2015(1):65-73.

[2]何玉.溜筒和臥泵聯(lián)合輸送混凝土在斜井中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2015(3):80-82,95.

[3]楊海芹.低壓輸水管道中幾種管材的應(yīng)用分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2015(7):112-115.

Numerical simulation of hydraulic characteristics of PVC

connecting bend

SHI Haonan, JIA Jia

(LiaoningKangpingCountyWaterConservancyBureau,Kangping110500,China)

Abstract:Water flowing features ofDN50 andDN75 two kinds of socket type 90° bend undergo numerical simulation through utilizingfluentsoftware in CFD in order to study local resistance and water flow pattern characteristics of PVC bend. Results show that the local resistance coefficient of different pipe diameter bends is basically consistent with the relationship curve change trend of Reynolds number. The pressure is the maximum outside the bend corner. And the pressure is the minimum inside the downstream pipe section close to the bend location.

Key words:PVC bend; local resistance coefficient; Reynolds number; velocity field; pressure field

中圖分類號(hào)：TV134

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2016)01-0064-03

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.018