不同工况下弯管水流流速模拟研究.docx

1、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)摘要采用湍流模型对直角有压弯管曾流的流速特性进行了三维数值模拟，分析了直角有压弯管在不同曲率半径和不同管径情况下，入口流速不同时，各断面处水平直径上的水流流速分布情况。该模拟方法可供水利工程弯曾设计人员参考。关键词弯管；水流流速;数值模拟；曲率半径；管径中图分类号TV134文献标识码C文章编号1004-7042(2014)09-0027-02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缺，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。

2、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0.005mx0.005mx0.005mo有边界层的结构网格采用标准k-e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40cm,70cm,100cm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

3、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

4、小。当入口流速为l.Om/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40cm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O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

5、径上的流速分布拐点。曲率半径为70cm,100cm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40cm时,其内侧平均流速大于外侧平均流速；当弯管曲率半径为70cm,100cm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40cm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一内侧流速平均值大于外侧流速平均值；当曲率半径为70cm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

6、流速。但曲率SHANXIWATERRESOURCES半径为100cm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40cm和7()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100cm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，口J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

7、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100cm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

8、径的增大,90。断面处水平直径上的平均流速一宜增大，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100cm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55cm,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20cm,30cm,40cm时,入曰流速为0.2ni/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20cm、流速为0.5m/s时,0。断面处水平直

9、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20cm、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。

10、在管径为20cm、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30cm、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

11、对差值先减小再增大。在管径为30cm、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30cm、流速为1.5m/s时,0。,90。断面处水平直径上的流速分布规律致。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

12、侧平均流速偏大。在曲率半径均为55cm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40cm、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20cm,30cm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55cm不变的悄况下，管径越大，弯管段越短，使得水流在%。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40cm,流速为1.0m/s时,0。,45。，9

13、0。断面处水平直径处的流速分布规(下转第42页)SHANXIWATERRESOLRCESSHANXIWATERRESOLRCES基岩浇筑钢筋混凝土防渗面板，坝顶采用C25钢筋混凝土加高至高程681.71m。对现状上游坝面凿毛、冲洗、清理干净,为保证新旧砌体连接紧密，坝面设锚固钢筋，设长1.5in、直径16mm、间距1500mmxl500mm的锚筋，并插入坝体内1.0m,呈梅花状布置。混凝土防渗面板设伸缩缝,缝间设651橡胶止水-道，缝间采用闭孔泡沫板填充。左右坝肩地基表层进行清理,去除覆盖层、坡积物、强风化岩石，在两岸坝坡新鲜的岩面上设钢筋混凝土防渗面板，两岸防渗面板长12.5m,总长25m,

14、防渗面板顶高程679.21mo3.2揄水卧管改建现状泄洪洞位于大坝中部左侧,进口控制设施损坏，洞身为圆拱直墙式，宽1.2m,洞高1.7m,拱高0.5m,进口处与取水卧管连接。泄洪洞出口底高程662.59m,目前，泄洪洞进口已淤堵，不能泄洪。本次设计不考虑泄洪洞泄洪，设计将现状进口控制设施拆除.进口采用C25D150S4混凝土封堵，由于泄洪洞兼有灌溉输水功能，在现状洞内衬直径1000mm的钢管，壁厚15mm。现状取水卧管位于大坝右侧，与泄洪洞衔接，此次设计将输水卧管拆除重建，卧管长21.2m,矩形断面，宽0.7m、深0.5m,侧墙采用M10水泥砂浆砌石，盖板采用C25钢筋混凝土预制，前挡板采用C

15、25混凝土预制结构，管顶高程677.76m,底高程662.09m,上部为台阶状，分20级，阶高根据坡度从上到下确定为0.576m,0.991m,1.019m,0.367m,阶长1.7m,正常蓄水位以下每一级设1个取水孔，共20个，取水孔直径0.3m,并设直径0.3m的钢制塞。管顶厚100mm、管底厚650mm。3.3新建防汛抢险道路从侯马市到金沙村有乡级公路，从金沙村至金沙水库无上坝道路，需翻山越岭上坝,交通极为不便，不利于防汛抢险c此次除险加固工程结合施工道路修建永久性防汛抢险道路，在山区段新修宽4m、长2.77km的道路，路面为沿山坡开挖形成,岩石开挖边坡1：0.2,土体边坡1：0.75,

16、回填边坡1：1,为防止岸上岩石坍塌，修建时采用风钻破碎岩石，严禁放炮。为保证车辆通行安全，在急弯道段道路外侧设M7.5浆砌石安全墩,墩高0.5m,宽0.30.5m,长1.0m,间距1.0m。总计4段，长200m。3.4新建管理站根据工程需要,在金沙村南新建管理房,管理站占地面积320n?,建管理房3间，建筑面积50为砖混凝土结构。4结语通过对金沙水库大坝及溢流设施改造、输水卧管修复及新建上坝道路和管理房等一系列工程措施，水库的病险问题得到了有效解决,从而使其更好地发挥防洪作用，确保了人民群众的生命财产安全，具有显著的社会效益和经济效益。【作者简介类盼盼（1984-）,男，2012年毕业于河北工

17、程大学水利水电工程专业，助理工程师。收稿日期2014-07-1】；修回日期2014-08-20（上接第28页）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10cm弯管的基础巳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55cm的基础上.增加弯管管径，当入口流速为0.5m