不同工况下弯管水流流速模拟研究

刘文涛

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

有压弯管广泛应用于水利工程中，可实现流体输送和质量交换等功能，弯管中水利流速的特性直接影响流体总压和能量，因此，弯管内的流动特性一直受到研究者的关注。以弯管0°～90°范围为研究对象，流态较复杂，故对此网格加密，计算网格采用六面体网格，网格尺度最大为0.005m×0.005m×0.005m。有边界层的结构网格采用标准k-ε紊流模型进行分析，直角有压弯管入口采用速度入口，水流为紊流流动状态，出口边界为流量出口。

1 不同曲率半径影响分析

当管径一定，直角有压弯管曲率半径分别为40 cm，70 cm，100 cm时，随着入口流速的增大，弯管内水流流速特性发生了变化。三种不同曲率半径的直角有压弯管随入口流速的增加在 0°，45°，90°断面下的流速情况如下：

第一，当弯管曲率半径发生改变时，管内流速的分布发生明显变化。在入口流速为0.5m/s时，三个不同曲率半径的弯管在0°断面处水平直径上的流速均为内侧平均流速大于外侧平均流速，不同的是，在靠近弯管内侧的边壁处，曲率半径越大，弯管流速越小；靠近弯管外侧的边壁处，曲率半径越小，弯管流速越小。入口流速为1.0m/s和2.0m/s时，弯管在0°断面处水平直径上的流速情况与入口流速为0.5m/s工况的情况一致。

第二，当入口流速为0.5m/s时，弯管在45°断面处水平直径上的流速分布与0°断面处水平直径上的流速分布大不相同。首先，随着弯管曲率半径的变化，此断面下流速的平均值不同，内外侧流速平均值也不相同，唯一相同的是外侧的流速平均值均大于内侧平均流速。在此断面下，弯管曲率半径越小，靠近外侧边壁管内流速越大，靠近内侧边壁管内流速越小。

当入口流速为1.0m/s时，三个不同曲率半径的弯管管流在45°断面处水平直径上的流速分布规律与入口流速为0.5m/s时一致，均为外侧平均流速大于内侧平均流速。与此同时，在靠近弯管内侧边壁处曲率半径越大的弯管流速越小，而靠近弯管外侧边壁处曲率半径越小的弯管流速越小。

当入口流速为1.5m/s时，三个不同曲率半径的弯管管流在45°断面处水平直径上的流速分布规律与前面两个流速工况下的分布规律发生变化。首先，曲率半径为40 cm的弯管管流在此断面处水平直径上的内侧平均流速等于外侧平均流速。

当入口流速大于1.5m/s时，该流速分布规律即将发生与之前相反的规律，因此1.5m/s为此情况下45°断面处水平直径上的流速分布拐点。曲率半径为70 cm，100 cm时的弯管45°断面处水平直径上的流速分布规律依然为外侧平均流速大于内侧平均流速。

当入口流速为2m/s、弯管曲率半径为40 cm时，其内侧平均流速大于外侧平均流速；当弯管曲率半径为70 cm，100 cm时，管内的内侧平均流速小于外侧平均流速。随着入口流速的不断增大，三个不同曲率半径的弯管管流在45°断面处水平直径上的流速分布发生变化。

当入口流速为2.4m/s、弯管曲率半径为40 cm时，其45°断面处水平直径上的流速分布始终是拐点后的分布规律——内侧流速平均值大于外侧流速平均值；当曲率半径为70 cm时，其内侧流速平均值等于外侧流速平均值，该入口流速为拐点流速。但曲率半径为100 cm的弯管管流流速分布未变，内外侧平均流速的绝对差有所减小。

当入口流速为3.5m/s时，曲率半径为40 cm和70 cm的弯管管流在45°断面处水平直径上的流速分布为内侧平均流速大于外侧平均流速；曲率半径为100 cm的弯管管流在45°断面处水平直径上的流速分布为内侧平均流速等于外侧平均流速，可以确定此流速为该曲率半径下的拐点流速。45°断面是比较典型的断面，在该处水平直径上流速拐点随着弯管曲率半径的增大而增大

第三，当入口流速为0.5m/s时，在90°断面处，弯管曲率半径的不同使得管内流速的分布不同。随着弯管曲率半径的增大，此断面的流速平均值在增大。当曲率半径改变时，内侧流速平均值始终小于外侧流速平均值，并且在弯管90°断面处发生了螺旋流，从而使流速分布随着螺旋流的变化而变化。但在靠近弯管内侧边壁处的管内流速随着弯管曲率半径的增大而增大。当入口流速为1.0m/s时，在90°断面处水平直径上的流速变化与45°断面处水平直径上的流速变化有所不同，管内流速平均值和内外侧流速平均值都随着弯管曲率半径的增大而增大，而且每个曲率半径下的管内流速都是外侧平均流速大于内侧流速。曲率半径为100 cm时，90°断面下的管内流速发生了螺旋流。弯管曲率半径不论如何变化，管内的内侧平均流速均小于外侧平均流速。当入口流速为2.0m/s时，随着曲率半径的增大，90°断面处水平直径上的平均流速一直增大，内侧平均流速先减小后增大，而外侧平均流速则是先增大后减小。流速分布中可以看到弯管曲率半径为100 cm时流速曲线在弯管靠近内侧处有点起落，原因是螺旋流在远离90°断面时造成的。

2 不同管径影响分析

在直角有压弯管曲率半径为55 cm，管径不同时，随着入口流速的增大，弯管的管流流速特性发生了变化。在弯管管径为20 cm，30 cm，40 cm时，入口流速为0.2m/s，0.5m/s，0.8m/s，1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s时，直角有压弯管在0°，45°，90°断面下的流速情况如下：

第一，在管径为20 cm、流速为0.5m/s时，0°断面处水平直径上的内侧平均流速大于外侧平均流速。管内水流在45°断面时，内侧的平均流速小于外侧的平均流速。同时在这两个剖面之间有个内外侧平均流速大小变换过程。当流速流到90°断面处时，内侧的平均流速依然小于外侧平均流速。同时随着断面角度的增大，内外侧平均流速绝对差值也在不断增大。在管径为20 cm、流速为1.3m/s时，0°断面处水平直径上的内侧平均流速仍大于外侧平均流速。在45°断面时，管内水流内侧的平均流速等于外侧的平均流速，该流速为一个拐点，与流速为0.5m/s时状况不同。同时，在这两个断面之间有个内侧平均流速减小，外侧的平均流速相应增大。当流速流到90°断面处时，内侧的平均流速同样小于外侧平均流速。在管径为20 cm、流速为1.5m/s时，0°断面处水平直径上的内侧平均流速大于外侧平均流速。在大于拐点流速的情况下，管内水流在45°断面时，内侧的平均流速大于外侧的平均流速。当流速流到90°断面处时，内侧的平均流速依然小于外侧平均流速。同时随着剖面角度的增加，内外侧绝对差值先减小后增大。

第二，在管径为30 cm、流速为0.5m/s时，0°断面处水平直径上的内侧平均流速大于外侧平均流速。管内水流在45°断面时，内侧的平均流速小于外侧的平均流速。同时在这两个断面之间内侧平均流速减小，外侧的平均流速相应增大。当流速流到90°断面处时，内侧的平均流速依然小于外侧平均流速。同时随着断面角度的增加，内外侧绝对差值先减小再增大。在管径为30 cm、流速为0.8m/s时，0°断面处水平直径上的内侧平均流速大于外侧平均流速。当流速为0.5m/s、管内水流在45°断面时，内侧的平均流速等于外侧的平均流速，此流速为该管径下的拐点流速。同时在这两个断面之间有个内侧平均流速减小，外侧的平均流速相应增大。当流速流到90°断面处时，内侧的平均流速依然小于外侧平均流速。同时随着断面角度的增加，内外侧平均流速绝对差值先减小再增大。在管径为 30 cm、流速为 1.5m/s时，0°，90°断面处水平直径上的流速分布规律一致。但45°断面处水平直径上的流速分布规律随着拐点流速产生而发生改变，流速由原来的外侧平均流速偏大变为现在的内侧平均流速偏大。在曲率半径均为55 cm的情况下，随着管径的增大，45°断面处水平直径上的拐点流速在减小。

第三，在管径为40 cm、流速为0.3m/s时，0°断面处水平直径上的流速规律不变。管内水流在45°断面时，内侧的平均流速基本等于外侧的平均流速，此流速是45°断面水平直径处的拐点流速。当在90°断面处时，内侧的平均流速大于外侧平均流速，与20 cm，30 cm管径的弯管90°断面处流速分布规律截然相反。造成这种情况的主要原因是曲率半径为55 cm不变的情况下，管径越大，弯管段越短，使得水流在90°断面处发生了与前面不同管径情况下相反的流速规律。在管径为 40 cm，流速为 1.0m/s时，0°，45°，90°断面处水平直径处的流速分布规律均为内侧平均流速大于外侧平均流速。45°断面是比较典型的断面，在该处水平直径上流速拐点随着弯管管径的增大而减小。

3 结论

利用可行的数值模拟方法，系统分析了在结构网格模型下不同曲率半径和不同弯管管径情况下，入口流速不同时，0°，45°，90°断面处水平直径上的流速分布情况。

第一，在管径为10 cm弯管的基础上，当增加弯管的曲率半径时，随着入口流速的增加，0°断面处水平直径上的内侧平均流速始终大于外侧平均流速；45°断面处水平直径上的弯管内部流速分布是：在入口流速小于拐点流速的情况下，外侧平均流速偏大；等于拐点流速时，内外侧平均流速相等；大于拐点流速时，内侧平均流速偏大。并且在弯管管径一定的情况下，拐点流速随着曲率半径的增大而增大，两者呈线性趋势；90°断面处水平直径上的内侧平均流速也始终小于外侧平均流速。

第二，在弯管曲率半径为55 cm的基础上，增加弯管管径，当入口流速为0.5m/s时，0°断面处水平直径上的内侧平均流速始终大于外侧平均流速；45°断面处水平直径上的弯管内部流速分布是：在入口流速小于拐点流速的情况下，外侧平均流速偏大；等于拐点流速时，内外侧平均流速相等；大于拐点流速时，内侧平均流速偏大。在弯管曲率半径一定的情况下，拐点流速随着管径的增大而减小，两者呈线性趋势；90°断面处水平直径上流速由原来的内侧平均流速小于外侧平均流速变为内侧平均流速大于外侧平均流速。