180°矩形弯管流场的实验测量和数值模拟

　　引　言

　　弯管广泛应用于化工、石油、水利、发电等工业领域,如离心式压缩机的流道、离心泵的流道、流体输送管道的转向等。弯管流道内的流体流动不同于一般直管流道的流体流动。由于流体在弯管流道中受到管道曲率的影响,流动时产生指向弯管外侧的离心力,导致压力分布发生变化,进而引发切向速度分布发生变化。详细认识弯管主流流场的特点就可以通过调整弯管的一些参数来改变压力分布和减少能量损失。已经有学者对90°弯管中的流场进行了测量[1-3]和模拟[4-6],也有对180°弯管流场的研究[7-8],但还缺乏对180°矩形弯管湍流流场的实验和分析。

　　本文利用智能型五孔球探针测量了180°矩形弯管的流场,同时利用FLUENT流体计算软件,采用Realizablek-ε模型对弯管的流场进行数值模拟,以获得更详细的流场信息,重点考察切向速度和压力的变化。

　　1　实验装置和测量方法

　　实验用180°矩形弯管如图1所示。弯管纵截面尺寸100 mm×200 mm,弯管内侧半径ri=80mm,外侧半径ro=180 mm。坐标系的坐标原点位于弯管中间横截面的曲率中心处。弯管转角的起始点设在弯曲的开始处。流场用智能型五孔球探针测量,测量位置在弯管中间XOY平面上θ=20°、60°、120°、180°方位的径向方向,见图1。入口速度Vi=13 m·s-1,流体介质为空气。

　　2　弯管流场数值模拟方法

　　流体计算软件是FLUENT 6·2。对于弯管流场Realizablek-ε模型具有比较高的计算精度[5]。采用GAMBIT进行建模和网格划分,每个纵截面为20×40均匀网格,进口直管段50个节点,弯管段113个节点,出口直管段250个节点。选用QUICK差分格式和SIMPLE算法。壁面处采用无滑移边界条件,对近壁网格点用标准壁面函数处理。

　　3　流场测量与数值模拟的结果分析

　　3·1　切向速度

　　将弯管中间XOY平面不同角度径向方向上的切向速度数值模拟曲线汇集在图2中,并与3组测量结果对比,表明计算结果和测量结果基本吻合。从图2可以看出,在0°截面,切向速度已经发生畸变。在0°~60°截面区间,内侧切向速度增大,外侧切向速度减小。随着流体的流动,在60°~180°截面区间,内侧切向速度减小,外侧切向速度增大。在整个弯管段内,除了180°截面外,其余各截面上由于流体受到离心力的作用,内侧切向速度总是大于外侧速度。而在180°截面上,从弯管中心附近径向到弯管外侧区域的切向速度变化不大,但内侧的切向速度沿径向向内显著下降,而且明显低于外侧的切向速度。

　　切向速度在每个截面上存在一个最大切向速度Vtm,其径向位置从0°方位开始,由内侧逐渐向外侧移动,但不超过弯管的中心线。说明流场是由一个变化的内侧似刚性涡和外侧准自由涡组成,似刚性涡区域随着旋转逐渐扩大,而准自由涡区相对减少。