作者：但植华, 吴森林, 管英柱, 纪国法, 张金发, 陈菊

作者单位：长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100

关键词：局部阻力系数;水力学;弯管;弯曲角度;数值模拟

摘要：

为探究弯管局部水头损失影响因素，揭示弯管内部流场、二次流分布情况，用六面体结构化网格对弯管进行O型剖分，采用RNG k-ε模型对不同雷诺数、不同相对弯曲半径、不同弯曲角度、不同管径的三维弯管进行数值模拟研究，计算结果与其他学者的实验结果相吻合。结果表明，局部阻力损失系数ζ随着雷诺数的增大而减小，当雷诺数较小时，随着雷诺数增大，局部阻力损失系数降幅较大，当雷诺数较大时，随着雷诺数的增大，开始进入阻力平方区，局部阻力损失系数趋于稳定；局部阻力系数ζ随着相对弯曲半径跟直径的增大呈多项式减小，随着弯曲角度呈线性增加；当相对弯曲半径增加到一定范围时，在弯曲角度大于π/4的情况下，角度的变化对二次流的影响不再明显；对模拟数据结果采用SPSS进行多元非线性回归分析，给出弯管局部阻力系数准则关系式；在管道设计或工程应用中，条件允许的情况下，尽量采用相对弯曲半径、直径较大，弯曲角度较小的管道，以降低能量损耗，同时，在弯头凹侧进行相关保护措施，防止压力过大造成管壁破坏，以期提高弯管的使用寿命。

Numerical calculation and hydraulic characteristics analysis of elbow based on CFD
DAN Zhihua, WU Senlin, GUAN Yingzhu, JI Guofa, ZHANG Jinfa, CHEN Ju
School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan 430100, China
Abstract: In order to explore the influencing factors of the local head loss of the elbow, reveal the internal flow field and the distribution of the secondary flow in the elbow, the elbow is divided into O-shaped with a hexahedral structured grid, and the RNG k-ε model is used for different Reynolds numbers and different relative values. Numerical simulation study of three-dimensional bends with different bending radii, different bending angles, and different pipe diameters is carried out, and the calculation results are consistent with the experimental results of other scholars. The results show that the local drag loss coefficient ζ decreases with the increase of the Reynolds number. When the Reynolds number is small, the local drag loss coefficient decreases with the increase of the Reynolds number. As the number increases, it begins to enter the resistance square area, and the local resistance loss coefficient tends to stabilize; the local resistance coefficient ζ decreases polynomially with the increase of the relative bending radius and diameter, and linearly increases with the bending angle; when the relative bending radius When increasing to a certain range, when the bending angle is greater than π/4, the change of the angle will no longer have an obvious effect on the secondary flow; SPSS is used to perform multiple nonlinear regression analysis on the simulation data results, and the local resistance of the elbow is given. Relational formula of coefficient criterion: In pipeline design or engineering application, when conditions permit, try to use pipelines with a relatively large bending radius, larger diameter, and smaller bending angle to reduce energy loss, and at the same time, perform correlation on the concave side of the elbow Protective measures to prevent damage to the pipe wall caused by excessive pressure, in order to increase the service life of the elbow.
Keywords: local resistance coefficient;hydraulics;elbow;bending angle;numerical simulation
2023, 49(3):142-151  收稿日期: 2021-10-23;收到修改稿日期: 2022-01-21
基金项目: 国家自然科学基金项目（51804042）
作者简介: 但植华(1998-),男,湖北鄂州市人,硕士研究生,专业方向为油气多相管流和流体数值模拟
参考文献
[1] 郭永鑫, 郭新蕾, 杨鹏志, 等. 管道水力摩阻系数的敏感性分析[J]. 水利学报, 2019, 50(8): 1021-1028
[2] 丁法龙, 茅泽育. 圆形断面管道非满流水动力特性[J]. 水科学进展, 2020, 31(4): 547-555
[3] 江山, 张京伟, 吴崇健, 等. 基于FLUENT的90°圆形弯管内部流场分析[J]. 中国舰船研究, 2008(1): 37-41
[4] 杨少东, 肖瑶, 侯京婧, 等. 大管径90°弯管数值模拟及局部阻力特性研究[J]. 能源与节能, 2020(8): 133-136
[5] 韩思奇, 邵欣, 檀盼龙, 等. 基于FLUENT下双声道超声波流量计最优声道研究[J]. 中国测试, 2018, 44(8): 140-146
[6] 卢承斌, 姚永灵, 张泰岩, 等. 基于数值模拟技术的电站冷却塔性能优化[J]. 中国测试, 2022, 48(1): 168-176
[7] 李淑江, 张育辉, 窦如宏. 翼型厚度对水动力特性影响的数值模拟分析[J]. 中国测试, 2020, 46(5): 148-153
[8] 许虎, 吴文勇, 王振华, 等. 基于CFD的巴歇尔槽进口连接段结构优化与水动力学特性分析[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(2): 77-83
[9] 颜红勤, 蒋红樱, 成立, 等. 基于CFD的泵安装位置对一体化泵站水力特性影响研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(4): 90-95
[10] 贺益英, 赵懿, 孙淑卿, 等. 输水管线中弯管局部阻力的相邻影响[J]. 水利学报, 2004(2): 17-20
[11] 贺益英, 赵懿珺, 孙淑卿, 等. 弯管局部阻力系数的试验研究[J]. 水利学报, 2003(11): 54-58
[12] 杨开林, 郭永鑫, 付辉, 等. 管道当量粗糙度的率定及不确定度[J]. 水利学报, 2012, 43(12): 1397-1404
[13] 袁一星, 杨坤, 刘海星, 等. 基于Fluent的气水脉冲冲洗圆形弯管流场仿真[J]. 中国给水排水, 2014, 30(5): 61-63
[14] 湛含辉, 朱辉, 陈津端, 等. 90°弯管内二次流(迪恩涡)的数值模拟[J]. 锅炉技术, 2010, 41(4): 1-5
[15] 张建华, 胡坤, 黄海峰, 等. 90°弯管对潜艇高压气管路沿程压力损失的影响分析[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(15): 93-97
[16] 张昕, 纪昌知, 姜敏等. 相对粗糙度和雷诺数对90°弯管局部阻力系数的影响[J]. 水力发电学报, 2013, 32(4): 88-93
[17] 杨湘隆, 黄社华, 熊渊. 圆管弯道内部流动数值模拟及湍流模式比较研究[J]. 西安理工大学学报, 2010, 26(1): 116-120
[18] 董亮, 刘厚林, 代翠, 等. 不同湍流模型在90°弯管数值模拟中的应用[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2012, 40(12): 18-22
[19] YE K, ZHANG Y, SHENG X, et al. Numerical analysis of the flow behavior in a helically coiled once through steam generator[J]. Nuclear Engineering and Design, 2018: 330
[20] 王秋良, 王振华, 李文昊, 等. 基于CFD的新型三通管结构优化与水力特性分析[J]. 中国农村水利水电, 2020, 8: 203-210