劉文濤

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

有壓彎管廣泛應(yīng)用于水利工程中，可實(shí)現(xiàn)流體輸送和質(zhì)量交換等功能，彎管中水利流速的特性直接影響流體總壓和能量，因此，彎管內(nèi)的流動(dòng)特性一直受到研究者的關(guān)注。以彎管0°～90°范圍為研究對(duì)象，流態(tài)較復(fù)雜，故對(duì)此網(wǎng)格加密，計(jì)算網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度最大為0.005m×0.005m×0.005m。有邊界層的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型進(jìn)行分析，直角有壓彎管入口采用速度入口，水流為紊流流動(dòng)狀態(tài)，出口邊界為流量出口。

1 不同曲率半徑影響分析

當(dāng)管徑一定，直角有壓彎管曲率半徑分別為40 cm，70 cm，100 cm時(shí)，隨著入口流速的增大，彎管內(nèi)水流流速特性發(fā)生了變化。三種不同曲率半徑的直角有壓彎管隨入口流速的增加在 0°，45°，90°斷面下的流速情況如下：

第一，當(dāng)彎管曲率半徑發(fā)生改變時(shí)，管內(nèi)流速的分布發(fā)生明顯變化。在入口流速為0.5m/s時(shí)，三個(gè)不同曲率半徑的彎管在0°斷面處水平直徑上的流速均為內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速，不同的是，在靠近彎管內(nèi)側(cè)的邊壁處，曲率半徑越大，彎管流速越?。豢拷鼜澒芡鈧?cè)的邊壁處，曲率半徑越小，彎管流速越小。入口流速為1.0m/s和2.0m/s時(shí)，彎管在0°斷面處水平直徑上的流速情況與入口流速為0.5m/s工況的情況一致。

第二，當(dāng)入口流速為0.5m/s時(shí)，彎管在45°斷面處水平直徑上的流速分布與0°斷面處水平直徑上的流速分布大不相同。首先，隨著彎管曲率半徑的變化，此斷面下流速的平均值不同，內(nèi)外側(cè)流速平均值也不相同，唯一相同的是外側(cè)的流速平均值均大于內(nèi)側(cè)平均流速。在此斷面下，彎管曲率半徑越小，靠近外側(cè)邊壁管內(nèi)流速越大，靠近內(nèi)側(cè)邊壁管內(nèi)流速越小。

當(dāng)入口流速為1.0m/s時(shí)，三個(gè)不同曲率半徑的彎管管流在45°斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律與入口流速為0.5m/s時(shí)一致，均為外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)平均流速。與此同時(shí)，在靠近彎管內(nèi)側(cè)邊壁處曲率半徑越大的彎管流速越小，而靠近彎管外側(cè)邊壁處曲率半徑越小的彎管流速越小。

當(dāng)入口流速為1.5m/s時(shí)，三個(gè)不同曲率半徑的彎管管流在45°斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律與前面兩個(gè)流速工況下的分布規(guī)律發(fā)生變化。首先，曲率半徑為40 cm的彎管管流在此斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速等于外側(cè)平均流速。

當(dāng)入口流速大于1.5m/s時(shí)，該流速分布規(guī)律即將發(fā)生與之前相反的規(guī)律，因此1.5m/s為此情況下45°斷面處水平直徑上的流速分布拐點(diǎn)。曲率半徑為70 cm，100 cm時(shí)的彎管45°斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律依然為外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)平均流速。

當(dāng)入口流速為2m/s、彎管曲率半徑為40 cm時(shí)，其內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速；當(dāng)彎管曲率半徑為70 cm，100 cm時(shí)，管內(nèi)的內(nèi)側(cè)平均流速小于外側(cè)平均流速。隨著入口流速的不斷增大，三個(gè)不同曲率半徑的彎管管流在45°斷面處水平直徑上的流速分布發(fā)生變化。

當(dāng)入口流速為2.4m/s、彎管曲率半徑為40 cm時(shí)，其45°斷面處水平直徑上的流速分布始終是拐點(diǎn)后的分布規(guī)律——內(nèi)側(cè)流速平均值大于外側(cè)流速平均值；當(dāng)曲率半徑為70 cm時(shí)，其內(nèi)側(cè)流速平均值等于外側(cè)流速平均值，該入口流速為拐點(diǎn)流速。但曲率半徑為100 cm的彎管管流流速分布未變，內(nèi)外側(cè)平均流速的絕對(duì)差有所減小。

當(dāng)入口流速為3.5m/s時(shí)，曲率半徑為40 cm和70 cm的彎管管流在45°斷面處水平直徑上的流速分布為內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速；曲率半徑為100 cm的彎管管流在45°斷面處水平直徑上的流速分布為內(nèi)側(cè)平均流速等于外側(cè)平均流速，可以確定此流速為該曲率半徑下的拐點(diǎn)流速。45°斷面是比較典型的斷面，在該處水平直徑上流速拐點(diǎn)隨著彎管曲率半徑的增大而增大

第三，當(dāng)入口流速為0.5m/s時(shí)，在90°斷面處，彎管曲率半徑的不同使得管內(nèi)流速的分布不同。隨著彎管曲率半徑的增大，此斷面的流速平均值在增大。當(dāng)曲率半徑改變時(shí)，內(nèi)側(cè)流速平均值始終小于外側(cè)流速平均值，并且在彎管90°斷面處發(fā)生了螺旋流，從而使流速分布隨著螺旋流的變化而變化。但在靠近彎管內(nèi)側(cè)邊壁處的管內(nèi)流速隨著彎管曲率半徑的增大而增大。當(dāng)入口流速為1.0m/s時(shí)，在90°斷面處水平直徑上的流速變化與45°斷面處水平直徑上的流速變化有所不同，管內(nèi)流速平均值和內(nèi)外側(cè)流速平均值都隨著彎管曲率半徑的增大而增大，而且每個(gè)曲率半徑下的管內(nèi)流速都是外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)流速。曲率半徑為100 cm時(shí)，90°斷面下的管內(nèi)流速發(fā)生了螺旋流。彎管曲率半徑不論如何變化，管內(nèi)的內(nèi)側(cè)平均流速均小于外側(cè)平均流速。當(dāng)入口流速為2.0m/s時(shí)，隨著曲率半徑的增大，90°斷面處水平直徑上的平均流速一直增大，內(nèi)側(cè)平均流速先減小后增大，而外側(cè)平均流速則是先增大后減小。流速分布中可以看到彎管曲率半徑為100 cm時(shí)流速曲線在彎管靠近內(nèi)側(cè)處有點(diǎn)起落，原因是螺旋流在遠(yuǎn)離90°斷面時(shí)造成的。

2 不同管徑影響分析

在直角有壓彎管曲率半徑為55 cm，管徑不同時(shí)，隨著入口流速的增大，彎管的管流流速特性發(fā)生了變化。在彎管管徑為20 cm，30 cm，40 cm時(shí)，入口流速為0.2m/s，0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s時(shí)，直角有壓彎管在0°，45°，90°斷面下的流速情況如下：

第一，在管徑為20 cm、流速為0.5m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。管內(nèi)水流在45°斷面時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速小于外側(cè)的平均流速。同時(shí)在這兩個(gè)剖面之間有個(gè)內(nèi)外側(cè)平均流速大小變換過(guò)程。當(dāng)流速流到90°斷面處時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時(shí)隨著斷面角度的增大，內(nèi)外側(cè)平均流速絕對(duì)差值也在不斷增大。在管徑為20 cm、流速為1.3m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速仍大于外側(cè)平均流速。在45°斷面時(shí)，管內(nèi)水流內(nèi)側(cè)的平均流速等于外側(cè)的平均流速，該流速為一個(gè)拐點(diǎn)，與流速為0.5m/s時(shí)狀況不同。同時(shí)，在這兩個(gè)斷面之間有個(gè)內(nèi)側(cè)平均流速減小，外側(cè)的平均流速相應(yīng)增大。當(dāng)流速流到90°斷面處時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速同樣小于外側(cè)平均流速。在管徑為20 cm、流速為1.5m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。在大于拐點(diǎn)流速的情況下，管內(nèi)水流在45°斷面時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速大于外側(cè)的平均流速。當(dāng)流速流到90°斷面處時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時(shí)隨著剖面角度的增加，內(nèi)外側(cè)絕對(duì)差值先減小后增大。

第二，在管徑為30 cm、流速為0.5m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。管內(nèi)水流在45°斷面時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速小于外側(cè)的平均流速。同時(shí)在這兩個(gè)斷面之間內(nèi)側(cè)平均流速減小，外側(cè)的平均流速相應(yīng)增大。當(dāng)流速流到90°斷面處時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時(shí)隨著斷面角度的增加，內(nèi)外側(cè)絕對(duì)差值先減小再增大。在管徑為30 cm、流速為0.8m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。當(dāng)流速為0.5m/s、管內(nèi)水流在45°斷面時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速等于外側(cè)的平均流速，此流速為該管徑下的拐點(diǎn)流速。同時(shí)在這兩個(gè)斷面之間有個(gè)內(nèi)側(cè)平均流速減小，外側(cè)的平均流速相應(yīng)增大。當(dāng)流速流到90°斷面處時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時(shí)隨著斷面角度的增加，內(nèi)外側(cè)平均流速絕對(duì)差值先減小再增大。在管徑為 30 cm、流速為 1.5m/s時(shí)，0°，90°斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律一致。但45°斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律隨著拐點(diǎn)流速產(chǎn)生而發(fā)生改變，流速由原來(lái)的外側(cè)平均流速偏大變?yōu)楝F(xiàn)在的內(nèi)側(cè)平均流速偏大。在曲率半徑均為55 cm的情況下，隨著管徑的增大，45°斷面處水平直徑上的拐點(diǎn)流速在減小。

第三，在管徑為40 cm、流速為0.3m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的流速規(guī)律不變。管內(nèi)水流在45°斷面時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速基本等于外側(cè)的平均流速，此流速是45°斷面水平直徑處的拐點(diǎn)流速。當(dāng)在90°斷面處時(shí)，內(nèi)側(cè)的平均流速大于外側(cè)平均流速，與20 cm，30 cm管徑的彎管90°斷面處流速分布規(guī)律截然相反。造成這種情況的主要原因是曲率半徑為55 cm不變的情況下，管徑越大，彎管段越短，使得水流在90°斷面處發(fā)生了與前面不同管徑情況下相反的流速規(guī)律。在管徑為 40 cm，流速為 1.0m/s時(shí)，0°，45°，90°斷面處水平直徑處的流速分布規(guī)律均為內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。45°斷面是比較典型的斷面，在該處水平直徑上流速拐點(diǎn)隨著彎管管徑的增大而減小。

3 結(jié)論

利用可行的數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)分析了在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型下不同曲率半徑和不同彎管管徑情況下，入口流速不同時(shí)，0°，45°，90°斷面處水平直徑上的流速分布情況。

第一，在管徑為10 cm彎管的基礎(chǔ)上，當(dāng)增加彎管的曲率半徑時(shí)，隨著入口流速的增加，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速始終大于外側(cè)平均流速；45°斷面處水平直徑上的彎管內(nèi)部流速分布是：在入口流速小于拐點(diǎn)流速的情況下，外側(cè)平均流速偏大；等于拐點(diǎn)流速時(shí)，內(nèi)外側(cè)平均流速相等；大于拐點(diǎn)流速時(shí)，內(nèi)側(cè)平均流速偏大。并且在彎管管徑一定的情況下，拐點(diǎn)流速隨著曲率半徑的增大而增大，兩者呈線性趨勢(shì)；90°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速也始終小于外側(cè)平均流速。

第二，在彎管曲率半徑為55 cm的基礎(chǔ)上，增加彎管管徑，當(dāng)入口流速為0.5m/s時(shí)，0°斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速始終大于外側(cè)平均流速；45°斷面處水平直徑上的彎管內(nèi)部流速分布是：在入口流速小于拐點(diǎn)流速的情況下，外側(cè)平均流速偏大；等于拐點(diǎn)流速時(shí)，內(nèi)外側(cè)平均流速相等；大于拐點(diǎn)流速時(shí)，內(nèi)側(cè)平均流速偏大。在彎管曲率半徑一定的情況下，拐點(diǎn)流速隨著管徑的增大而減小，兩者呈線性趨勢(shì)；90°斷面處水平直徑上流速由原來(lái)的內(nèi)側(cè)平均流速小于外側(cè)平均流速變?yōu)閮?nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。