弯管内流体流动的模拟计算与实验研究

　　在流体输送管道中,利用流体通过弯管时局部压力的变化特性来测量管道内流体的流量,是测量管道流量的一种十分简便的方法。弯管作为输送管道的组成部分不产生附加阻力,具有安装测量方便、造价低、使用寿命长、免维修或维修量小等诸多优点。

　　1　弯管内流体流动的模拟计算

　　1·1　模拟计算方法

　　文中流体介质采用常温空气,假设弯管内流动的空气为不可压缩的实际流体,连续稳定地流经弯管,描述其流动状态的基本方程为连续性方程、运动方程等[1]。方程组的求解采用以英国Spalding教授为代表的学派研制的软件PHOENICS(Parabolic Hy-perbolic Or Elliptic Numerical Integration Codes Series)3·3·0进行。采用适体坐标系统,使用GSET命令定义所计算弯管的相关参数特性如下:

　　⑴弯管上的关键点的设置

　　A点:XPO=4·396 4×10-1;　YPO=1.464 5×10-2; ZPO=0.000 0;　GSET(P,A)。

　　B点:XPO=5.103 6×10-1;　YPO=1.464 5×10-2; ZPO=0.000 0;　GSET(P,B)。

　　C点:XPO=5.1036×10-1;　YPO=8.535 5×10-2; ZPO=0.000 0;　GSET(P,C)。

　　D点:XPO=4.396 4×10-1;　YPO=8.535 5×10-2; ZPO=0.000 0;　GSET(P,D)。

　　1#点:XPO=4.750 0×10-1;　YPO=0.000 0;　ZPO=0.000 0;　GSET(P,1#)。

　　2#点:XPO=5.250 0×10-1;　YPO=5.000 0×10-2;　ZPO=0.000 0;　GSET(P,2#)。

　　3#点:XPO=4.750 0×10-1;　YPO=1.000 0×10-1;　ZPO=0.000 0;　GSET(P,3#)。

　　4#点:XPO=4.250 0×10-1;　YPO=5.000 0×10-2;　ZPO=0.000 0;　GSET(P,4#)。

　　⑵圆弧线段的设置

　　通过点1#的线段L1: GSET(L,L1,A,B,16,1.0,ARC,1#)。

　　通过点2#的线段L2: GSET(L,L2,B,C,16,1.0,ARC,2#)。

　　通过点3#的线段L3: GSET(L,L3,C,D,16,1.0,ARC,3#)。

　　通过点4#的线段L4: GSET(L,L4,A,D,16,1.0,ARC,4#)。

　　⑶设置弯管的结构

　　GSET(F,F1,A,-,B,-,C,-,D,-)。

　　表达式中的A、B、C、D分别为弯管曲线上的拐点。

　　⑷网格划分方案

　　GSET(M,F1,+I+J,1,1,1,LAP20)。

　　紊流模型采用工程上广泛应用的k-ε双方程模型。假设在管道入口截面上的来流速度均匀一致,紊动能为kin=0·05w2in、紊动能耗散为εin=k1·5in/0·03;出口截面处压力为环境压力;壁面处启用壁面函数。对管道内流体的流动速度、压力进行模拟求解,收验性指标设定为10-3。

　　1·2　弯管内的压力变化

　　图1为采用上述方法模拟计算得出的空气流经弯管时的局部压力变化情况,图中数值为等压线值(Pa)。可见,流体在等径直管内流动时,管道断面上压力分布均匀没有压力差,当流体进入弯管时,由于弯管外壁对流体的压迫作用,流体对管壁产生的压力却越来越大;在弯管内壁的一侧,流体对管壁产生的压力越来越小;当流体流过弯管弯曲的顶点部位时,弯管断面上内外壁压差最大,随后流动引起的弯管内外侧的压力开始向相反的方向变化,即流体对管壁外侧产生的压力越来越小,对管壁内侧产生的压力却越来越大;当流体流出弯管时,流体的流动状态又重新趋于稳定。