弯管流动的非均匀性及其整流

　　0  前言

　　在工业生产中弯曲圆管应用非常普遍，流体流经弯曲管道时会使其速度、压力发生很大变化，形成分离和回流等，使流动变得非常的不均匀。研究管内特别是弯曲管内的流动具有十分重要的意义。对弯曲管道的流场主要通过试验和数值模拟得到，如Hunphrey['〕对正方形截面900弯曲管内水的层流流动进行了数值和试验研究，Taylor}2对存在强二次流的弯管内水的层流和湍流速度场进行测量得到了包括雷诺应力在内的详细结果，Chan梦]也给出了管道半径比为6.75的U形方管流场的实测结果。K. Sudo [4}对光滑内壁900弯曲圆管内湍流进行了试验测量，得到了轴向速度、切向速度和径向速度等物理量。在数值模拟方面，如Pa#ankar等[5j采用k一E模式和壁面函数计算了平面的弯曲圆管内流动，Lam等[[6]采用低Re数模型计算了圆管内充分发展流动，Yeo['}探讨了不同离散方法对900弯曲圆管流数值模拟的影响，}iang Luo等人[8]利用了雷诺应力模式((RSM)、代数雷诺应力模式((ARSM) ,非线性k-‘和标准k-:等湍流模式数值模拟了二维U形弯管的湍流场，对比研究表明RSM模式能够较好的反映弯管湍流流动的主要特征。三维弯曲管流的数值模拟的关键在于三维弯管网格的生成、湍流模式的选用，本文从三维}-s方程出发，利用RSM湍流模式和贴体无结构网格，对三维900弯管的流动进行了数值模拟，由于弯管的作用，流动在下游管道相等长的距离内变得非常不均匀。并利用三维激光测速仪对该流动进行了测量，数值模拟的结果同试验吻合较好。针对弯管后流动的非均匀性提出了一种双环结构的整流装置，并对该整流装置进行了数值模拟和试验，结果表明该装置能对气流进行很好的整流，使流动在管道中很快变得均匀和稳定。

　　经过数值计算和试验测量，认为采用双圆环结构的整流装置，整流效果明显，在测量段能够得到相同的速度剖面，可尽量减小由于上游配管方式或形状的影响而产生的流场变化。两个圆环的结构相同，圆环的外径与流量计的测量管的管径相同，内径为O.}d }d为测量管的管径)，宽度为0.2d，两个圆环间距为1.6d。通过试验测量可知，在安装了整流装置后，相同的流量下，无论上游配管为直管还是弯管，下游速度剖面基本一样。

　　1  计算模型与控制方程

　　采用三维非定常的不可压缩粘性流体流动的N-S方程。

　　数值离散:有限体积法，二阶精度，时间步上以4阶Runge-Kutta推进。

　　网格划分:非结构性网格。

　　湍流模型:雷诺应力模型。

　　该模型通过求解下列Reynolds应力输运方程来封闭基本方程