劉天昀，徐星宇，李晨斌，焦慧杰

不同曲度下90°矩形彎管內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

劉天昀，徐星宇，李晨斌，焦慧杰

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

為了研究90°矩形彎管在不同曲度下的內(nèi)部流場(chǎng)情況，以Gambit構(gòu)建管道模型，使用Fluent軟件、采用Standard k-ε模型對(duì)＝1.05～4.55曲度范圍內(nèi)的矩形管內(nèi)空氣的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了管內(nèi)靜壓強(qiáng)和速度分布、漩渦產(chǎn)生的部位及強(qiáng)度、局部損失系數(shù)以及管道彎曲部分的受力情況，探究了彎管后二次流的持續(xù)發(fā)展情況以及增加導(dǎo)流板對(duì)減小局部損失系數(shù)的作用。研究結(jié)果表明：隨著彎管曲度的增大，進(jìn)口截面壓強(qiáng)下降，局部損失系數(shù)降低，流體對(duì)彎管的作用力增加，彎管后二次流的影響范圍增大；增設(shè)導(dǎo)流板后，管內(nèi)壓強(qiáng)和速度分布更為均勻，二次流強(qiáng)度減弱，局部損失大大減小。

矩形截面彎管；曲度；數(shù)值模擬；導(dǎo)流板；局部損失系數(shù)

管道廣泛應(yīng)用于工業(yè)運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)灌溉、室內(nèi)供溫等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著工、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，管道的應(yīng)用越來(lái)越多，類(lèi)型也越來(lái)也豐富。由于空間、位置等限制，不可避免地要用到各種彎管，如船舶管道、汽車(chē)油管、空調(diào)制冷管等各種管路中均有彎管的應(yīng)用[1]。在火電領(lǐng)域，鍋爐中的煙道系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)與送風(fēng)系統(tǒng)中更是布滿管道[2]。

較直管而言，受漩渦及二次流等因素的影響，彎管內(nèi)的局部損失系數(shù)增大，流動(dòng)損失增加，影響經(jīng)濟(jì)效益，且流體對(duì)管道的沖擊力、管內(nèi)壓強(qiáng)也增大，更易發(fā)生管道破損和流體泄漏事故，危及管道使用壽命及施工安全。因此，優(yōu)化管道內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，降低管內(nèi)壓強(qiáng)及流體對(duì)管道的沖擊力，減少流動(dòng)損失，對(duì)實(shí)際工程中延長(zhǎng)管道壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益及保障施工安全具有重要意義。

為增強(qiáng)管道性能，已有學(xué)者對(duì)彎曲圓管做了諸多研究，但對(duì)矩形管的研究相對(duì)較少。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合流體力學(xué)，采用Fluent數(shù)值模擬方法研究空氣在不同曲度下的90°矩形管道內(nèi)的流動(dòng)情況，避開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究耗費(fèi)大量人力、物力的缺陷[3]，研究工作主要包括Gambit建模和計(jì)算、Fluent模擬管內(nèi)靜壓和速度分布、漩渦產(chǎn)生的部位及強(qiáng)度，分析了曲度＝1.05～4.55范圍內(nèi)進(jìn)口截面壓強(qiáng)、流體對(duì)彎管的作用力、二次流的影響范圍及局部損失系數(shù)的變化情況，探究增加導(dǎo)流板對(duì)降低局部損失系數(shù)的影響。

1 模型的建立和求解

1.1 幾何模型建立

本課題研究的模型如圖1所示，管道的橫截面是一個(gè)邊長(zhǎng)為400 mm的正方形，直管道部分的長(zhǎng)度為6000 mm，彎轉(zhuǎn)角度為90°。彎管的曲度為自變量，分別取1.05、1.55、2.05、2.55、3.05、3.55、4.05、4.55。曲度變化時(shí)其它變量保持不變。

圖1 彎管模型及幾何尺寸

1.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格數(shù)量的多少會(huì)直接影響計(jì)算精度和準(zhǔn)確性。網(wǎng)格數(shù)目越多，計(jì)算精度會(huì)越高[4]，但計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)也就增大，運(yùn)算所需要的時(shí)間也就越長(zhǎng)。因此，在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，需要平衡兩者，既要滿足計(jì)算精度要求，又要減輕計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)[4]。

以＝1.05為例，以不同的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為變量，以局部損失系數(shù)為對(duì)比參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

通過(guò)表1可見(jiàn)當(dāng)網(wǎng)格規(guī)模為40萬(wàn)以上時(shí)，彎曲管道的局部損失系數(shù)相對(duì)誤差小于2%，因此取40萬(wàn)以上規(guī)模的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

表1 網(wǎng)格總數(shù)與局部損失系數(shù)的關(guān)系

1.4 物理模型構(gòu)建

本次課題中使用Gambit 2.4.6建模。首先采用由面拉伸為體的方法繪制出曲度分別為1.05、1.55、2.05、2.55、3.05、3.55、4.05、4.55的矩形彎管；然后按照彎管處密集、直管處稀疏的原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目要達(dá)到40萬(wàn)；接著在邊界條件的設(shè)置中將進(jìn)口設(shè)置為velocity-inlet，出口設(shè)置為outflow，彎管壁面設(shè)置為wall；最后將構(gòu)建好的幾何模型導(dǎo)入Fluent 15.0。構(gòu)建好后的模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入Fluent后的幾何模型

1.5 Fluent求解計(jì)算

讀入mesh網(wǎng)格文件后對(duì)文件進(jìn)行檢查。在本例中，雷諾數(shù)在500000左右，該數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2300，所以在選取模型時(shí)要選取湍流模型。由于在湍流模型中，Standard k-ε模型用途最為廣泛，具有收斂速度較快的特點(diǎn)，可以很好地減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，釋放更多CPU。經(jīng)討論，最終一致認(rèn)為Standard k-ε模型是非常合適的，其控制方程組如下：

將materials設(shè)置為空氣，保持其默認(rèn)參數(shù)。然后對(duì)邊界條件進(jìn)行了設(shè)置，進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口（velocity-inlet），速度大小為15 m/s，湍動(dòng)度為5%，出口設(shè)置為自由出口（outflow），其余參數(shù)均為默認(rèn)設(shè)置未作更改，然后再對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化。最后進(jìn)行迭代計(jì)算，結(jié)果如殘差曲線圖3所示（以＝1.05為例），當(dāng)殘差小于0.0001即步數(shù)在145左右時(shí)，可以認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。

圖3 殘差曲線圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 曲度對(duì)彎管局部損失系數(shù)的影響

2.1.1 局部損失系數(shù)的計(jì)算

式中：1與2為管道進(jìn)口與出口截面的平均壓強(qiáng)；1與2分別為管道彎曲部分進(jìn)口與出口截面的平均速度；數(shù)值均在Fluent當(dāng)中讀出。

2.1.2 曲度對(duì)彎管局部損失系數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)比計(jì)算得到圓截面彎管的局部損失系數(shù)隨著曲度增大而逐步減小，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖4）所分析出的矩形截面彎管的局部損失系數(shù)也是隨著彎管曲度增大而減小。這是因?yàn)椋寒?dāng)流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于流體具有慣性，彎管會(huì)使流體的流動(dòng)方向發(fā)生突然的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致流體會(huì)沖擊管壁，并在彎管內(nèi)經(jīng)歷擁堵、減速、轉(zhuǎn)向、再加速的流動(dòng)過(guò)程，從而導(dǎo)致了流體再?gòu)澒芴帟?huì)產(chǎn)生局部損失。

圖4 彎管局部損失系數(shù)隨曲度的變化

當(dāng)彎管的曲度較小時(shí)，彎管的形狀可以近似看作是直角彎管，沒(méi)有了圓弧形彎管的緩沖作用，流體在直角彎管內(nèi)速度方向急劇改變，從而導(dǎo)致局部損失系數(shù)較大。隨著彎管的曲度逐漸增大，彎管的彎曲程度逐步減小，流體在流經(jīng)彎管時(shí)流動(dòng)方向的改變程度也變小，對(duì)管壁的沖擊碰撞減小，導(dǎo)致流體在流經(jīng)彎管時(shí)流動(dòng)損失也減小、局部損失系數(shù)也隨之減小。但隨著彎管曲度的進(jìn)一步增大時(shí)局部損失系數(shù)并不會(huì)持續(xù)減小，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)局部損失又會(huì)增大。這是因?yàn)椋弘m然彎管彎曲程度變緩，但彎管彎曲部分的長(zhǎng)度增長(zhǎng)了，流體流經(jīng)彎管時(shí)與管壁的碰撞、摩擦的長(zhǎng)度增加了，這又導(dǎo)致了局部損失的再次增大[3]。

綜上所述，隨著彎管曲度的增大，其局部損失系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)曲度較小時(shí)，彎管處流體的流動(dòng)方向的劇烈轉(zhuǎn)變對(duì)局部損失系數(shù)起主導(dǎo)作用；當(dāng)曲度較大時(shí)，彎管處流體與彎管部分的摩擦對(duì)局部損失系數(shù)起主導(dǎo)作用。但是這個(gè)結(jié)論并沒(méi)有在所研究的曲度范圍中體現(xiàn)出來(lái)，這可能時(shí)由于空氣的運(yùn)動(dòng)粘度較小且實(shí)驗(yàn)的曲度最大值未達(dá)到拐點(diǎn)。

2.2 彎管內(nèi)的靜壓和速度分布

2.2.1 靜壓分布（以＝1.05為例）

由圖5可以看出，從整體分析，靜壓強(qiáng)是沿著管道流動(dòng)方向逐步降低的。在管道中，當(dāng)流體處于進(jìn)入彎管前的直管道部分與離開(kāi)彎管的后的直管道部分時(shí)，壓強(qiáng)分布比較均勻。在彎管處壓強(qiáng)變化比較大，分布不均勻。即在彎管的內(nèi)側(cè)與外側(cè)處發(fā)生明顯變化。其中，在經(jīng)過(guò)外側(cè)拐點(diǎn)時(shí)，壓強(qiáng)達(dá)到最大值，而當(dāng)流體流經(jīng)內(nèi)彎拐點(diǎn)時(shí)壓強(qiáng)達(dá)最小值，并在彎管的內(nèi)側(cè)還產(chǎn)生了負(fù)壓。這說(shuō)明在彎管的內(nèi)外側(cè)存在著較為顯著的壓力差，同時(shí)這也是二次流形成的重要原因之一。

圖5 彎管靜壓強(qiáng)分布云圖

2.2.2 速度分布（以＝1.05為例）

由圖6可以看出，先從整體分析，速度是沿著流管內(nèi)流體的流動(dòng)方向整體變化不大。但在管道拐彎處，彎管內(nèi)側(cè)的速度較大，而外側(cè)的速度較低。彎管內(nèi)側(cè)的流體流過(guò)拐彎處時(shí)，由于該側(cè)壓強(qiáng)較低，受到后面流體的沖擠，導(dǎo)致速度增大。當(dāng)流體流過(guò)拐彎處進(jìn)入直管段后，流動(dòng)迅速發(fā)展為充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，沿管道截面，速度分布趨于均勻。但是因?yàn)榱黧w流動(dòng)過(guò)程有一定流動(dòng)損失，因此速度與流入拐彎處前的相比略微有所下降，但變化不大。彎管外側(cè)的流體流動(dòng)過(guò)程分析與內(nèi)側(cè)類(lèi)似。

圖6 彎管速度分布云圖

對(duì)比圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)，速度的分布恰好與壓強(qiáng)的分布相反，即在流體經(jīng)過(guò)外側(cè)彎管時(shí)其速度達(dá)到最小值，而在流體流經(jīng)內(nèi)側(cè)彎管時(shí)其速度達(dá)到最大值。

2.3 管內(nèi)漩渦產(chǎn)生的部位及強(qiáng)度

在流體流經(jīng)彎管時(shí)，在貼近彎管壁面處會(huì)產(chǎn)生漩渦。在彎管內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生漩渦的原因是流體流經(jīng)彎管時(shí)由于具有慣性，同時(shí)在彎管內(nèi)側(cè)出口段進(jìn)入直管段這部分區(qū)域是逆壓梯度區(qū)，極易發(fā)生邊界層分離，因此流體邊界層脫離內(nèi)壁，并在壁面附近形成了與主流方向相反的回流，最終形成漩渦；而在彎管外側(cè)，產(chǎn)生漩渦的原因是流體改變流動(dòng)方向時(shí)，沖刷撞擊外壁面，同樣導(dǎo)致了與主流方向相反的回流產(chǎn)生，最終也形成了漩渦。由于這兩個(gè)漩渦的存在，在彎管處，流體的流通面積減小，流體向中間匯集，導(dǎo)致管道截面上中心處的流體速度增大，兩側(cè)貼壁處流速減小，引起流體旋轉(zhuǎn)。

2.4 彎管后二次流的持續(xù)發(fā)展情況

2.4.1 二次流產(chǎn)生的原因

二次流，即疊加于主流并與之垂直的附加流動(dòng)，是發(fā)生在垂直于流動(dòng)平面內(nèi)的一種流動(dòng)。產(chǎn)生二次流的主要原因是流體受到了附加力的作用，如離心力、哥氏力、電磁力等。彎管內(nèi)的二次流主要是指迪恩渦，它的產(chǎn)生使流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中阻力產(chǎn)生的能量損耗增大[5]。矩形彎管內(nèi)的二次流如圖7所示。彎管外側(cè)的壓強(qiáng)比內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)高，即處的壓強(qiáng)比處的壓強(qiáng)高。彎管上下靠近壁面的兩側(cè)，即和處，因?yàn)榱魉俦容^低，離心慣性力比較小，所以壓強(qiáng)也比較小，這樣在彎管某一截面上沿壁面就形成了從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)降，即：＞＞、＞＞[6]，結(jié)果在壁面上就形成了流體從外側(cè)向內(nèi)側(cè)的流動(dòng)。與此同時(shí)，由于連續(xù)性以及離心慣性力的作用，處的流體沿線從內(nèi)側(cè)向外側(cè)流動(dòng)。這樣在彎管的某一截面上就形成了兩個(gè)環(huán)流，即二次流[1]。二次流和主流疊加在一起，使得彎管內(nèi)的流體質(zhì)點(diǎn)作螺旋運(yùn)動(dòng)，這樣就加大了彎管內(nèi)流體的能量損失，即二次流損失[7]。

圖7 矩形彎管內(nèi)的二次流

2.4.2 二次流隨曲度變化的規(guī)律

為了探索90°矩形彎管內(nèi)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布和了解二次流損失隨彎管曲度的變化情況，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)不同曲度下的彎管內(nèi)的二次流進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模擬過(guò)程中，在模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用有限體積法對(duì)彎管空間進(jìn)行離散，并使用帶有旋流修正的k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

為更直觀地觀察彎管后二次流的產(chǎn)生、過(guò)渡、消失的過(guò)程，在不同曲度下做出多個(gè)切片，展示切面上的速度矢量圖如圖8所示，值為距離彎管出口處的距離。以=4.05為例，在彎道入口前沒(méi)有二次流的產(chǎn)生進(jìn)入彎道后，＝3.5為二次流最強(qiáng)處，＝5為二次流消失處，中間部分為二次流過(guò)渡段。類(lèi)似地，分別取曲度1.05、1.55、2.05、2.55、3.05、3.55、4.05、4.55，觀察各曲度二次流最強(qiáng)處、二次流過(guò)渡段、二次流消失處的位置。為更清楚地了解二次流各階段位置隨彎管曲度變化的情況，運(yùn)用Origin將各組數(shù)據(jù)匯總至曲線圖中可知，隨著彎管曲度的增加，二次流的影響范圍越來(lái)越廣。

圖8 二次流各階段位置隨彎管曲度變化

2.5 求取流體對(duì)彎管的作用力

在實(shí)際管道計(jì)算中，經(jīng)常會(huì)遇到求解運(yùn)動(dòng)流體和固體壁面之間的相互作用力的問(wèn)題，如果已知運(yùn)動(dòng)流體作用在固體壁面上的壓強(qiáng)分布情況，那么沿整個(gè)作用面對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行積分就可以求得運(yùn)動(dòng)流體對(duì)固體壁面的作用力。因此運(yùn)用N-S方程來(lái)求取固體壁面上壓強(qiáng)的分布，從而解得作用力的大小。即：

但N-S方程涉及到多階導(dǎo)數(shù)的求解，運(yùn)算過(guò)程較為復(fù)雜，因此運(yùn)用動(dòng)量方程來(lái)求解運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面之間作用力的大小，即：

在此之前已求得出口和入口速度的大小和方向，代入表達(dá)式即可求得作用力的大小。

在Fluent中，可運(yùn)用report功能將流體對(duì)彎管作用力的大小及方向讀出。在讀取出數(shù)據(jù)后，對(duì)力進(jìn)行合成，求取出合力大小，并應(yīng)用excel作出力隨曲度變化的曲線圖，如圖9所示，可知，隨著彎轉(zhuǎn)曲度的增加，合力的大小不斷增大。

圖9 合力隨曲度的變化曲線圖

3 對(duì)在管道內(nèi)加裝導(dǎo)流板的研究

本例中，空氣以15 m/s的速度在矩形管中流動(dòng)，接近于實(shí)際生活中商場(chǎng)內(nèi)中央空調(diào)管道中冷氣的流動(dòng)。由前文的分析可知，在彎管中會(huì)有漩渦及二次流的產(chǎn)生，因此管道中的能量損失主要是局部損失。為了減少能量損失，應(yīng)該設(shè)法減小局部損失，而減小局部損失的關(guān)鍵就在于減弱二次流的強(qiáng)度，縮小其在彎管后直管道內(nèi)的影響范圍。結(jié)合相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析認(rèn)為在彎道處加裝導(dǎo)流板能夠解決好該問(wèn)題。

3.1 加裝方式及性能分析

以＝1.05為例?？紤]到導(dǎo)流板的厚度會(huì)對(duì)管道內(nèi)的空氣流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，因此為了減少阻礙作用，其厚度也不宜過(guò)厚[8]，最終取厚度為0.005 m。導(dǎo)流板的數(shù)量和安裝位置也都有可能會(huì)對(duì)導(dǎo)流的效果產(chǎn)生一定影響。安裝數(shù)目過(guò)多則會(huì)阻礙管道內(nèi)空氣的流動(dòng)，安裝數(shù)目過(guò)少則難以達(dá)到減少流動(dòng)局部損失的目的，在本例中導(dǎo)流板數(shù)量在2片時(shí)的效果最佳。對(duì)于安裝位置，在彎道的1/4和3/4處安裝導(dǎo)流板是較為常見(jiàn)的做法，因此分別在這兩處安裝了導(dǎo)流板，然后檢驗(yàn)其效果。

3.2 效果分析

未加導(dǎo)流板時(shí)的壓力云圖和速度云圖如圖10所示，發(fā)現(xiàn)此時(shí)管道內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)在空氣流經(jīng)彎道處時(shí)急劇下降、速度急劇上升，在空氣流過(guò)彎道進(jìn)入直管道后內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)急劇上升而速度急劇下降?？諝饬鲃?dòng)除了主流流向外，還有發(fā)生在垂直于主流流動(dòng)的一種流動(dòng)，即二次流。它是由于管道內(nèi)部的橫向壓力的作用，產(chǎn)生的平行于邊界的偏移。內(nèi)側(cè)流體在二次流的帶動(dòng)下穿過(guò)橫截面中心區(qū)域向外側(cè)流動(dòng)，從而使下游管道產(chǎn)生能量的耗散。這個(gè)二次流與主流疊加使通過(guò)彎道的流體質(zhì)點(diǎn)作螺旋運(yùn)動(dòng)，加大了局部損失。

加裝導(dǎo)流板后的壓力云圖和速度云圖如圖11所示，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的壓強(qiáng)分布和速度分布較未加裝時(shí)更為均勻。如圖12所示，彎管后最強(qiáng)處的二次流較未安裝導(dǎo)流板時(shí)弱。讀取管道進(jìn)出口壓強(qiáng)，代入伯努利方程，沿程損失和局部損失公式進(jìn)行一系列計(jì)算，發(fā)現(xiàn)局部損失系數(shù)由未加裝導(dǎo)流板前的0.6降至加裝后的0.157，說(shuō)明加裝導(dǎo)流板后局部損失大大減小。

圖10 未加裝導(dǎo)流板時(shí)的速度分布和壓強(qiáng)分布云圖

圖11 加裝導(dǎo)流板后的速度分布和壓力云圖

圖12 兩種情況下二次流最強(qiáng)處對(duì)比

4 結(jié)論

以Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬的方式分析矩形彎管曲度對(duì)管內(nèi)空氣流動(dòng)情況的影響，得出以下結(jié)論：

（1）管內(nèi)靜壓沿流體流動(dòng)方向逐漸降低，直管部分壓強(qiáng)分布較為均勻，彎管拐點(diǎn)處外側(cè)壓力很高而內(nèi)側(cè)壓力很低（為負(fù)壓），此處內(nèi)外側(cè)的壓差導(dǎo)致二次流的產(chǎn)生。

（2）隨著彎管曲度的增大，彎管進(jìn)口截面壓強(qiáng)和局部損失系數(shù)均減小，流體對(duì)彎管的作用力增大，基本隨曲度呈線性變化，局部損失系數(shù)逐漸下降。

（3）管內(nèi)流體流動(dòng)速度沿流動(dòng)方向略有降低但整體變化不大。直管部分速度分布比較均勻，彎管拐彎處速度外側(cè)小內(nèi)側(cè)大，與壓強(qiáng)分布大小相反。

（4）流體流經(jīng)彎管后產(chǎn)生二次流，隨著彎管曲度的增大，彎管后二次流最強(qiáng)處、過(guò)渡段及消失處離彎管出口的距離均增大，即二次流的影響范圍擴(kuò)大。

（5）流體流經(jīng)彎管時(shí)，在彎管出口壁面處產(chǎn)生漩渦。

（6）增設(shè)導(dǎo)流板后，管內(nèi)壓強(qiáng)和速度分布更為均勻，二次流減弱，經(jīng)計(jì)算得局部損失系數(shù)由加導(dǎo)流板之前的0.6降至0.157，局部損失大大減小。

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Numerical Simulation of Internal Flow Field in 90° Rectangular Bend Pipe under Different Curvatures

LIU Tianyun，XU Xingyu，LI Chenbin，JIAO Huijie

( School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China )

In order to study the internal flow field of 90°rectangular bends under different curvatures, pipeline models are constructed with Gambit software, and the numerical simulation of the air flow in rectangular bends under different curvatures (=1.05～4.55) is conducted by using Fluent software and the Standard k-epsilon model air flow in rectangular bends under different curvatures (=1.05～4.55). The static pressure and velocity distribution in the pipe, the location and strength of the vortex, the local loss coefficient of the pipe under different curvatures and the stress condition of the bent part of the pipe are analyzed. And the development of the secondary flow after the bend and the effect of installing guide vanes to reduce the local loss coefficient are investigated as well. The results show that as the curvature of the bend increases, the pressure of the inlet section decreases, the local loss coefficient decreases, the fluid force on the bend increases, and the influence range of the secondary flow after the bend increases; after installing the guide vanes, the pressure distribution and the velocity distribution in the pipes become more uniform, the secondary flow is weaker, and the local loss coefficient is greatly reduced.

rectangular bend；curvature；numerical simulation；guide vanes；local loss coefficient

TK011

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.01.002

1006－0316 (2021) 01－0006－08

2020－06－04

劉天昀（2000－），男，廣東廣州人，主要研究方向?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程，E-mail：494272220@qq.com。