甘肃水利水电技术
GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY
Vol.54,No.6Jun. ,2018
DOI ： 10.19645/j.issn2095-0144.2018.06.008
弯管阻力损失及流场特性数值模拟
魏周杨
(兰州市水电勘测设计院，甘肃兰州730000)
摘要：为了探讨弯管的阻力损失规律及流场特性，基于标准湍流模型及其SIMPLE解法，对\"#75、弯曲半径fi= 200 mm的90。弯管进行了数值计算，结果表明：弯管的阻力系数随雷诺数的增大先减小后趋于稳定，在$%>1.2x105后
进入阻力平方区；通过弯管的压力降幅很大，可达74.1%，造成很大的水头损失；水流在转弯断面的压力分布和流速分 布很不均匀，在外管壁处压力增大、流速降低，在内管壁处压力降低、流速增大，经过转弯后压力和流速梯度逐渐减小， 分布逐渐均匀。
关键词：弯管；阻力系数;数值模拟中图分类号:TV134.2
文献标志码:A
文章编号= 2095-0144(2018)06-0034-03
1 前言
弯管广泛应用于各种流体输送系统中，通过弯 管可改变水流运动方向。当水流经过弯管时其流场 非常复杂，在转弯处由于离心力的作用使水流脱离 边界，水流质点发生剧烈的掺混、碰撞，往往伴随着 旋涡、二次流的产生，因此弯管的研究得到许多学者 的重视。樊洪明采用大涡模拟的方法对三维空间 的弯管进行了数值计算。丁钰[2y对90。弯管内湍流 流动进行了数值模拟，表明流场的计算结果与实验 数据吻合的较好。王金娥[3]等对90。弯管内的流体进 行了仿真计算，并对结果进行了分析。潘忠兴[4]等对 90。弯管内湍流流动进行了数值模拟实验，表明弯 管内流体旋转产生的离心力导致压力分布的变化。 由于弯管流场的复杂性，其流场的分布及变化规律 仍需研究，作者对K、弯曲半径$=200 mm的 90；弯管进行数值模拟研究，探讨阻力系数及流场 特性的变化，为管路的优化设计提供参考。2
数值模型的建立
对于不可压缩的流体运动，其运动规律可由连 续性方程和Navier-Stokes方程等构成，在直角坐标 坐标系中的表达式如下。
连续性方程：
du_ + 3^ + 3+=0
!^u^+V-(pu.)=-t+#!2u+p/(
3- dx3-
(
•(PvU)=-^/+$!1v+pf*
3*+! •(pwU)=-^/+$!1w+pfz
(2)
(3)(4)
3-
)
3,
式中：U为流体流速(m/s);u、《、+为流速在x、*、，三 个坐标轴的分量（m/s);；$为动力黏度系数(Pas);/x、 /*、/2为质量力的分量，当质量力只有重力时，/x=/*， /2=-1。在湍流模型中，本文选用标准！-%湍流模型， 其湍动能及耗散率输运方程为[5]:
他+^^L 丄[B$+也)i]+3!+4「P%3- dxi dxi &k 3(i- 67+8!
dips) d(psu{)
(5)
+
3x2
3= - 3(j
K- L %
3-
(G!+：3s；6)_：2£ p +8%
!
(6)
2.1数值模型控制方程
式中:$-为湍流黏性系数;；!、；5为分别为平均速度 梯度和浮力作用引起的紊流湍动能;6<为脉动扩张 引起的动能耗散率;：1m、：2n、：3o、&!、&%为为常数; 8!、8%为用户定义的源项。2.2几何模型与网格划分
⑴
弯管几何模型及网格划分如图1所示。弯管型 号为\"=75,内径为67.8 mm，弯曲半径$=200 mm。 为了减小转弯处对上下游水流的影响，取压孔分别
3* 3,
Navier-Stokes 方程：
收稿日期=2018-05-17
作者简介:魏周杨(1982-)，男，甘肃皋兰人，工程师，学士，主要从事水利工程设计，E-mail: 184733716@qq.com,
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第6期魏周杨$弯管阻力损失及流场特性数值模拟第54卷
设置在上游5 !和下游10 !的管径处。几何模型 建好后进行计算区域的网格划分，转弯处采用非结 构四面体网格，并进行网格加密，其余部位采用六面
体结构网格，共划分网格数34.9万。在弯管上截取
Di、D2& D&三个断面（图1)，分析不同截面运动要
素的变化。
2.3离散方法及边界条件
采用有限体积法对上述方程进行离散，流场的 计算采用SIMPLE算法，扩散项采用中心差分格式 离散，对流项采用二阶迎风格式，近壁面的处理采用 标准壁面函数法。弯管进口边界条件为速度进口， 分布设置不同的进口速度，出口设置为自由出流。3
结果与分析
在弯管的上游5 !处和下游10 !管径处分别 设置测压孔1和2，压强为\"2和\"2,则\"2和\"2之间 的压力降3\"为：
4 \"=\"「\"+
弯管阻力系数的计算公式为：9=2^
p
雷诺数％e/x105
3.1阻力系数变化
(7)
图2弯管阻力系数随雷诺数的变化
_
3.2弯管内部压力分布
⑶
图3为进口速度2 >/@时弯管中心剖面的压力
(Pa)
8007006005004003002001000-100-200-300 -400 -500 -600
式中： <\"为弯管压力降（Pa);!为弯管阻力系数;$ 为断面平均流速(>/@)。
图2为弯管阻力系数随雷诺数的变化关系，由图 可知，阻力系数！随雷诺数的增大先减小后基本趋于 稳定，在雷诺数％&<0.4x105时下降很快，在％
&D
1.2x105后基本趋于稳定，说明％& >1.2x105后对阻 力系数的变化没有影响。根据相关研究表明'形变 件由于转弯处水流摩擦碰撞剧烈，使水流在小于相 同直管道对应的转捩雷诺数时提前进人阻力平方 区，从本次模拟可以看出，在水流雷诺数％& >1.2 M 1〇5之后水流进入阻力平方区。
图3
1
弯管中心剖面压力云图
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2018年第6期甘肃水利水电技术第54卷
分布图，计算时取弯管出口的压强作为基准点。可 以看出，从弯管的进口到出口，压力沿流动方向减 小，弯管人口断面平均压力为449.4 Pa，出口断面平 均压力为116.2 Pa，压力降幅达74.1%，造成很大的 水头损失。在转弯处压强的变化剧烈，在外管壁处 最大压强达到800 Pa，内管壁处局部出现负压，最 大负压值可达-600 Pa，可见弯管转弯处断面压力
变化较为复杂。
为了进一步观察断面压力的变化，分别给出了
Di、D)和D3截面（图1)的压力云图（图4)。可以看
出，不同截面的压力分布变化均为外管壁处较大，内 管壁处较小，这是由于水流转弯时，由于离心力的作 用使外管壁处主流脱离边界，内管壁处由于产生旋 涡回流导致局部负压。
(a)D'截面压力云图(b)D)截面压力云图图4
弯管截面压力云图
(c)D3截面压力云图
3.3弯管内部流速分布
图5为进口速度2 m/S时弯管中心剖面的速度 云图，可以看出，弯管进口和出口断面的流速变化比 较稳定，在转弯处流速梯度增大，外管壁处流速减 小，最小值为1.2 m/S;内管壁处流速增加，最大流速 为2.4 m/S。这是由于水流经过转弯处时发生回流， 加速了内管壁处水流的运动，使流速增大。从图6 可以看出，D1、D)和D/截面的流速分布不均勻，D) 截面为转弯处截面，其流速梯度变化最大，到D/断 面时流速梯度变化有所减小，流速分布逐渐趋向均 匀。
(m/s)
(m/s)□ 2.4
■ 2.2 '| 2.0
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
2.4 2.2 2.0 1.8 1.61.41.00.80.60.40.2
图5弯管中心剖面速度云图
(m/s)
(a)D1截面
(b)D2截面
图&弯管截面速度云图
(c)D/截面
4结论
通过数值模拟的方法，对！\"75、弯曲半径
结论。
（1)弯管阻力系数随雷诺数的增大先减小后趋于稳定，在雷诺数>1.2x105 (下转第45页）
#=200 mm的90。弯管进行了数值模拟，得到以下
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第6期
表2
计算剖面1-1剖面
陈斌，等:宕昌县某滑坡特征与治理措施
滑坡稳定性计算结果
稳定性系数
1.0710.9780.952
稳定状态基本稳定不稳定不稳定基本稳定
0.9820.9601.131.041.01
不稳定不稳定基本稳定欠稳定欠稳定
第54卷
在滑坡外围布设截水渠。
桩板墙结构设计采用主动土压力与滑坡剩余下 滑力二者的大值控制设计，治理工程设计过程中考 虑了桩板墙后回填反压的效果，滑坡剩余下滑力大 幅度下降，根据反压后的剩余下滑力优化了抗滑桩 结构设计，取得了较好的经济效果。6
结论(1) (2)
分析的某滑坡为降雨诱发的牵引式滑坡，前 针对该滑坡厚度不大，剪出口较高的特点，
计算工况自重自重+暴雨自重3地震
2-27剖面自重自重+暴雨自重+地震
缘开挖削弱支撑和降雨是滑坡形成的主要原因。在滑坡前缘采用桩板墙进行支挡，桩后回填反压取 得了较好的效果。
(3)
对场地平整弃土方量较大，滑坡剪出口较
高的滑坡，在滑坡前缘设置桩板墙，将弃土回填于 桩板墙后就地消化了弃土，而且回填反压大幅度 降低了滑坡剩余下滑力，优化了支挡结构，经济效 果明显。参考文献：
[1 ] 丁保艳，李征.临潭县冶力关镇&号滑坡稳定性分析与治
理[J].甘肃水利水电技术，2017，53(3): 56-58.
[2 ]王宏益，姜鑫，吴正军，等.南部县杨家沟滑坡成因机制及
稳定性分析[J].长春工程学院学报（自然科学版）， 2014,15(1)： 79-82.
[3 ]胡承强，吴志强，童韬.渝邻高速公路周家院滑坡工程治
理设计探讨[J].公路交通技术，2003，6( 3): 12-15.
[4] 余琴琴.云南某典型滑坡特征分析及稳定性评价[J].甘肃
水利水电技术，2016,52(3):38-41.
[5] 连保金，张廷欢.黄家沟滑坡特征及形成机制分析[J].甘
肃水利水电技术，2017,53(2):47-49.
3-38剖面自重自重 + 暴雨自重 + 地震
通过计算分析，该滑坡在自重工况下处于基本 稳定状态，在暴雨和地震工况下处于不稳定一欠稳 定状态，结论与定性分析基本一致，与调查的滑坡变 形主要发生于降雨、地震时点一致。5
治理方案设计
由于滑坡前缘较平缓，距离拟建房屋距离较远， 施工条件较开阔，边坡高度较大，滑坡剪出口位于坡 体中部，通过方案比选，治理措施在前缘布设桩板 墙，拟定粧截面1.0 mxl.5 m，粧间距4.0 m，粧长 12.0 m，悬臂段7.0 m，锚固段5.0 m，共计布设宽度 102 m，布设抗滑桩34根，桩后布设挡土板，挡土板 长3.6 m，布设高度7.0 m，在桩板墙后回填土方反 压滑坡，既能处理工程弃土，又有利于滑坡治理，效 果较好，考虑到降雨时滑坡形成主要引发因素，而且 敏感性分析也证明降雨对滑坡稳定性影响大，因此(上接第36页）
后趋于稳定，表明水流进人阻力平方区。
(2)
表明经过弯管时造成很大的水头损失;经过弯管时 断面压力分布很不均匀，外管壁处压强增大，内管壁 处压强减小，局部出现负压。
(3)
外管壁流速减小，内管壁处流速增大，经过转弯处后 断面流速梯度逐渐减小。参考文献：
[1 ]樊洪明，何钟怡，王小华，等.弯曲管段内流动的大涡模拟
[J].水动力学研究与进展，2001，16(1):78-83.
[2] 翁培奋.90。弯管内流动的理论模型及流动特性的 通过弯管时水流压力降幅很大，可达74.1%， 丁钰，
数值研究[J].计算力学学报，2004,21( 3): 314-321.[3] 王金娥，杨小江.90。弯管内流体流动数值模拟研究[J].
武汉船舶职业技术学院学报，2014,13(1):25-27.
[4] 潘忠兴，候成仁，闫芳.90°弯管内湍流流动的数值模拟
[J].化学工业与工程技术，2011，32( 3): 24-26.
经过弯管时水流速度分布不均匀，在转弯处
[5 ]江帆，黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].北京:清华大
学出版社，2008.
[6 ]石喜，g宏兴，朱德兰，等.PVC三通管水流阻力与流动特
征分析[J].农业机械学报，2013，44( 1):73-79.
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