基于fluent的水泵出口不同彎頭及變徑組合的阻力損失研究

基于fluent的水泵出口不同彎頭及變徑組合的阻力損失研究摘要：水泵出口常會遇到有不同的變徑形式，分為普通彎頭和異徑彎頭，普通彎頭中變徑形式有大小頭位置的差別，即先彎頭后變徑和先變徑后彎頭的差別，本文通過數(shù)值模擬的方法探究三種變徑形式的彎頭的阻力損失，根據(jù)總壓損失可知，以異徑彎頭為模型核心的模型3的阻力損失最小。

關(guān)鍵詞：阻力損失；異徑彎頭；數(shù)值模擬

前言

在現(xiàn)實條件下管道路由不可能做到完全直線，因此彎頭在以水為介質(zhì)的鋼管道中使用非常普遍，由于彎頭在管網(wǎng)中非常多，因此分析其不同形式的阻力損失具有重大意義[1]。分析管道管件的阻力的方式有多種多樣，有基于CFD計算的模擬法[2-3]、有基于試驗探究的實驗法[4-5]，目前分析管道的阻力實際工程應(yīng)用中，主要通過不同的水利計算公式對不同的管徑、管件進行估算[1]，從而建立整個管網(wǎng)的水力模型，這樣做的好處是能夠快速得到可以利用的結(jié)果，從而加快工程建設(shè)和應(yīng)用。而水力計算公式的缺陷也同樣明顯，水力計算公式的計算參數(shù)很多建立在經(jīng)驗公式之上，容易導(dǎo)致不同管件在細節(jié)上的數(shù)據(jù)丟失，從而產(chǎn)生管網(wǎng)水力模型誤差，導(dǎo)致水力計算出的結(jié)果與實際應(yīng)用結(jié)果不相符合?；诖吮疚睦肅FD模擬研究不同變徑形式的彎頭阻力損失，以期為工程實際運用提供相關(guān)指導(dǎo)。

1模型建立及設(shè)置

本文以水泵出口為例，本例假設(shè)離心式水泵出口為橫向，通過彎頭及變徑將水輸送至垂直于地面的立管，離心泵出口為DN250管道，立管管段管徑為DN500，本文以不同管段變徑及彎頭組合為例，建立三種變徑和彎頭組合模型，分別是先普通彎頭后變徑（模型1）、先變徑后普通彎頭（模型2）和異徑彎頭（模型3）三種情形，模型1、模型2、模型3分別對應(yīng)圖1、圖2、圖3所示，探究不同情形下的管件組合的水力損失。三種模型均選取相同長度的管段，三個模型的入口均為水泵出口，公稱直徑為DN250，三個模型的出口均為DN500直管段。DN500直管段長度相同，模型進口處離DN500直管段軸線距離相同。

圖1

圖2

圖3

圖4模型1管段靜壓力截面圖

如圖1、圖2、圖3所示均為水泵出口DN250管道至DN500變徑和彎頭組合的過程，差別在于形式不同，圖1采用DN250彎頭然后進行大小頭變徑的方式；圖2采用DN250轉(zhuǎn)DN500大小頭然后連接DN500彎頭方式；圖3直接采用變徑彎頭的方式。將以上三個三維模型導(dǎo)入ICEM中，確定邊界條件，為了提高計算精度，在ICEM中對三個模型分別進行六面體網(wǎng)格的劃分，然后將ICEM中劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中完成計算前準(zhǔn)備。查詢水泵名牌知其額定流量為1500m3/h，以額定流量為例進行計算，通過換算知在1500m3/h流量下水泵出口流速為7.91m/s，計算雷諾數(shù)易知該流動為湍流范圍，因此在FLUENT中對三種模型設(shè)置速度進口為7.91m/s。假設(shè)管道為鋼管，其粗糙度設(shè)置為0.5mm[6]，然后分別對三個模型進行計算，得出相應(yīng)管段的阻力損失。

圖5模型2管段靜壓力截面圖

2結(jié)果分析

根據(jù)FLUENT計算結(jié)果，分別得到模型1、模型2和模型3的靜壓力截面圖和總壓力截面云圖，由3張云圖可以發(fā)現(xiàn)三個模型存在較大不同。如圖4所示是模型1管段靜壓力截面圖，由圖中可以看出該模型在靜壓力均勻性上存在較大不足，在大小頭與DN500管連接處的左側(cè)存在高壓區(qū)，可能導(dǎo)致該處管道局部應(yīng)力大。而在DN250彎頭右側(cè)及大小頭與DN250彎頭連接處左側(cè)存在低壓區(qū)，可能發(fā)生空化現(xiàn)象，導(dǎo)致管道氣蝕損壞。

根據(jù)計算結(jié)果知模型1進口處平均總壓為531842.85Pa，而出口處平均總壓為504630.38Pa，因此從壓力損失的角度該管段損失了27212.47Pa。如圖5為模型2靜壓力截面圖，由圖知該模型總體均勻性較好，幾乎不產(chǎn)生額外的低壓區(qū)或高壓區(qū)，因流體壓力導(dǎo)致的管段局部應(yīng)力幾乎沒有，也沒有產(chǎn)生空化條件的流體低壓區(qū)，因此相比于模型1，模型2的流體特性得到了較大改善。

根據(jù)模擬計算結(jié)果可知模型2進口平均總壓為509071.17Pa，出口平均總壓為502338.27Pa，該管段的總壓損失為6732.9Pa，相比于模型1，模型2的阻力特性得到較大改善。如圖6所示為模型3的靜壓力截面圖，從該云圖也可以看出模型3的靜壓力均勻性也較好，且靜壓力在流體前進方向上基本按線性增加，避免了管道內(nèi)部局部高壓和局部低壓區(qū)的形成，有助于減小阻力損失。

圖6模型3管段靜壓力截面圖

根據(jù)計算結(jié)果，模型3進口平均總壓為506721.71Pa，出口平均總壓為502790.95Pa，該管段的總壓損失為3930.76Pa，與前兩個模型相比，阻力損失有較大改善。綜合以上云圖及查看表1可知，模型2、3在靜壓力的分布上優(yōu)于模型1，同時根據(jù)計算，模型2、3比模型1的阻力損失小一個數(shù)量級，因此，從靜壓力分布和阻力損失的角度模型3優(yōu)于模型2，而模型2優(yōu)于模型1，因此在水泵出口處彎頭的選擇上宜優(yōu)先選擇模型3方案。

表1三種模型壓力損失比較

結(jié)論

在實際工程應(yīng)用中，關(guān)于水泵出口處的彎頭優(yōu)先選擇模型3方案，即以異徑彎頭來作為變徑和轉(zhuǎn)彎的方式，這樣有利于減少管網(wǎng)的阻力損失及產(chǎn)生空化氣蝕等現(xiàn)象的可能性。同時在由于條件限制不能選擇模型3方案時，也應(yīng)該優(yōu)先選擇模型2方案。

參考文獻：

[1]傅德薰.流體力學(xué)數(shù)值模擬[M].國防工業(yè)出版社，1993.

[2]林嘯.基于Fluent的熱力管道彎頭管段流動阻力數(shù)值模擬及分析[J].工程技術(shù)（引文版）：00327-00327.

[3]申曉光.褚德海.曲瑩軍.水管路水力特性數(shù)值模擬[J].黑龍江科技信息，2015（32）：52-53.

[4]賀益英.趙懿珺.孫淑卿.等.彎管局部阻力系數(shù)的試驗研究[J].水利學(xué)報，2003，00