PVC连接弯头的水力特性数值模拟

史皓男贾佳

(辽宁省康平县水利局，辽宁 康平110500)

【摘要】为了研究PVC弯头的局部阻力和水流流态特征，对DN50和DN75两种PVC承插式90°弯头的水流特性利用CFD中的fluent软件进行了数值模拟，结果表明：不同管径弯头的局部阻力系数与雷诺数的关系曲线的变化趋势基本一致，压力在弯头拐角外侧压力最大，在下游管段内侧靠近弯头的位置压力最小。

【关键词】PVC弯头;局部阻力系数;雷诺数;速度场;压力场

弯头是常见的管道连接件之一，优点是连接操作简便、施工快捷、节约成本和时间等，但是因为其对水的流态改变较大，局部水头损失较大。苏联专家依德利契克在《流体阻力手册》(第二版)中对流体阻力试验研究成果进行了总结，可以为弯头的阻力计算起到一定的参考作用。但是该书的成果受到当时材料的限制，计算复杂，取值保守，特别是现代新材料、新工艺下，管道的糙度等已发生了很大的改变，该书已不能很好地计算这些变化后的阻力。张淼[1]、何玉[2]等人对弯管的局部阻力损失系数进行了试验和数值模拟分析，得到了常见弯管的局部阻力系数经验公式、弯管的局部阻力和流场特征、局部能量损失系数表达式、气流在弯道中的阻力变化和能量损失的规律和局部水头损失和雷诺数的关系。此次为了研究PVC弯头的局部阻力和水流流态特征，对DN50和DN75两种PVC承插式90°弯头的水流特性进行了试验，利用CFD中的fluent软件进行了数值模拟。数值模拟结果反映了管径和局部阻力系数的关系，分析了该弯头的速度场、压力场，进而找到引起弯头能量损失的原因。

1计算流体力学的基本理论

计算流体力学是在经典流体力学和现代计算机基础上，建立数学模型，利用计算机求解，在时间和空间维度内对流场进行定量的数值求解和对流体的相关性质进行分析的方法。其特点是既能用数学的方法求出问题的定量结果，又能不受试验条件、观测手段等的限制对试验进行模拟。通过计算机在数值计算和图像显示方面的强大功能，可以对流体流动、热传导和辐射传热等物理现象做出较全面的分析[3]。现在流体流动方面的研究方法有计算流体力学、理论分析和试验测量等类。理论分析方法应用范围广，与影响因素关系明确，计算结果具有普遍性，是其他方法的理论基础，缺点在于需对具体的现象进行简化，对大部分非线性流动问题不能得到解析解；试验测量方法得到的是真实的结果，能验证理论和数值分析的正确性，但是受模型尺寸效应、试验条件、测量精度等因素的制约，加上实际流体运动往往很难准确地被试验模拟，因此要想得到正确满意的结果，也存在一定的难度；计算流体力学可以在计算机上通过建立数学模型进行数值模拟，相当于在计算机上进行模拟实际流体流动试验，可以直观地反映结果。

2弯头试验方法

弯头试验装置的布置见图1。试验选用DN50和DN75两种型号的PVC承插式90°弯头(见图2)，外径分别为50mm和75mm，对应的内径分别是44mm和67.8mm。试验时，先在蓄水池中加水，然后利用水泵将蓄水池中的水抽吸至恒压水箱中，通过恒压水箱向试验管道中注入水流，经弯头上游管、弯头、弯头下游管后流入回水管，最终回流至蓄水池中。

图1　弯头试验装置布置示意图

图2　试验用弯头

弯头中的流量用电磁流量计量测，安装位置见图1，测量精度为±0.2%；在弯头上游10倍管径和下游管道20倍和30倍管径的位置安装精度为0.1%的硅压阻压力传感器量测，试验之前还要对压力传感器、流量计进行标定。试验管路中压力通过调节阀控制，试验装置的电源采用稳压电源供电。

3试验结果分析

3.1　局部阻力系数与雷诺数(Re)的关系

在一些特定的管道中，流体流动的阻力系数只与流体的流态有关。可以测定弯头在通过不同流量流体时的阻力系数和雷诺数，通过拟合或者作图等方法，就可以得到阻力系数和雷诺数两者之间的关系。由于不同型号的PVC承插式90°弯头的形状基本相当，此次利用GAMBIT建立了DN32、DN40、DN110和DN140这四种型号弯头的几何模型，并进行了数值模拟，结果如图3所示。

图3　不同管径弯头局部阻力系数与雷诺数的关系

由图3可知：不同管径弯头的局部阻力系数与雷诺数的关系曲线的变化趋势基本一致，当雷诺数不大于0.5×105时，曲线的斜率较大，局部阻力系数随雷诺数变大而快速变小，当雷诺数继续增大超过一定数值后，局部阻力系数接近一个数值，后随雷诺数的变大，基本不变。

在实际工作中，往往要估算弯头的局部阻力系数，是因为在管网设计时，如果不能准确地确定各种不同型号弯头的局部阻力系数，就会忽略管径变化对水头造成的损失，这样的设计很难做到既符合实际又比较经济。实际管网中的水流通常处于阻力平方区，找到处于阻力平方区的弯头的局部阻力系数和管径之间的关系，对管道的合理设计具有重要意义。根据六种型号弯头的模拟试验结果，对各个型号弯头分别选择5组处于阻力平方区的结果，再求平均值，结果见下表。

不同管径弯头局部阻力系数计算结果表

3.2　模拟流场分析

根据模拟承插式90°弯头管内水流速度场试验，Z=0时XY截面的速度场云图如图4所示。

图4　弯头速度场模拟结果

由图4可见，不同管径在同一流量下和不同流量在同一管径下的速度场的分布基本相同。水流在经过弯头上游管时流态较稳定，流速稳定，在经过弯头时，由于受到离心力的作用，水流流向下游时开始分离，并在弯头外侧角形成湍流，速度变化很大，在弯头下游侧靠近外壁面处速度最大，在其内侧速度最小，水流的能量损失主要发生在弯头拐角及其下游管段靠近拐角的一段。管内的压力沿管道呈逐渐减小的趋势，在弯头拐角外侧压力最大，在下游管段内侧靠近弯头的位置压力最小。流体的压力主要在沿程流动过程中和通过弯头时发生了损失，在弯头拐角处水流有漩涡、气穴和强烈撞击现象发生。

4结论

不同管径弯头的局部阻力系数与雷诺数的关系曲线的变化趋势基本一致，当雷诺数不大时，曲线的斜率较大，局部阻力系数随雷诺数变大而快速变小，当雷诺数继续增大超过一定数值后，局部阻力系数接近一个数值；实际管网中的水流通常处于阻力平方区，找到处于阻力平方区的弯头的局部阻力系数和管径之间的关系，对管道的合理设计具有重要意义；不同管径在同一流量下和不同流量在同一管径下的速度场的分布基本相同，水流在弯头下游侧靠近外壁面处速度最大，在其内侧速度最小，水流的能量损失主要发生在弯头拐角及其下游管段靠近拐角的一段；管内的压力沿管道呈逐渐减小的趋势，在弯头拐角外侧压力最大，在下游管段内侧靠近弯头的位置压力最小。

参考文献

[1]张淼.生活排水管道通水能力测试方法及相关问题探讨[J].给水排水,2015(1):65-73.

[2]何玉.溜筒和卧泵联合输送混凝土在斜井中的应用[J].水利技术监督,2015(3):80-82,95.

[3]杨海芹.低压输水管道中几种管材的应用分析[J].水利规划与设计,2015(7):112-115.

Numerical simulation of hydraulic characteristics of PVC

connecting bend

SHI Haonan, JIA Jia

(LiaoningKangpingCountyWaterConservancyBureau,Kangping110500,China)

Abstract:Water flowing features ofDN50 andDN75 two kinds of socket type 90° bend undergo numerical simulation through utilizingfluentsoftware in CFD in order to study local resistance and water flow pattern characteristics of PVC bend. Results show that the local resistance coefficient of different pipe diameter bends is basically consistent with the relationship curve change trend of Reynolds number. The pressure is the maximum outside the bend corner. And the pressure is the minimum inside the downstream pipe section close to the bend location.

Key words:PVC bend; local resistance coefficient; Reynolds number; velocity field; pressure field

中图分类号：TV134

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)01-0064-03

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.018