不同工況下彎管水流流速模擬研究.docx

1、不同工況下彎管水流流速模擬研究劉文濤(山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西太原030024)摘要采用湍流模型對直角有壓彎管曾流的流速特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了直角有壓彎管在不同曲率半徑和不同管徑情況下，入口流速不同時，各斷面處水平直徑上的水流流速分布情況。該模擬方法可供水利工程彎曾設(shè)計(jì)人員參考。關(guān)鍵詞彎管；水流流速;數(shù)值模擬；曲率半徑；管徑中圖分類號TV134文獻(xiàn)標(biāo)識碼C文章編號1004-7042(2014)09-0027-02有壓彎管廣泛應(yīng)用于水利工程中，可實(shí)現(xiàn)流體輸送和質(zhì)量交換等功能,彎管中水利流速的特性直接影響流體總壓和能缺，因此，彎管內(nèi)的流動特性一直受到研究者的關(guān)注。以彎管0。90。

2、范圍為研究對象，流態(tài)較復(fù)雜，故對此網(wǎng)格加密，計(jì)算網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度最大為0.005mx0.005mx0.005mo有邊界層的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用標(biāo)準(zhǔn)k-e紊流模型進(jìn)行分析，直角有壓彎管入口采用速度入口，水流為紊流流動狀態(tài)，出口邊界為流量出口。1不同曲率半徑影響分析當(dāng)管徑一定，直角有壓彎管曲率半徑分別為40cm,70cm,100cm時，隨著入口流速的增大，彎管內(nèi)水流流速特性發(fā)生了變化。三種不同曲率半徑的直角有壓彎管隨入口流速的增加在0。,45。,90。斷面下的流速情況如下：第一，當(dāng)彎管曲率半徑發(fā)生改變時，管內(nèi)流速的分布發(fā)生明顯變化。在入口流速為0.5m/s時,三個不同曲率半徑的彎管在0。斷面處

3、水平直徑上的流速均為內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速，不同的是，在靠近彎管內(nèi)側(cè)的邊壁處，曲率半徑越大，彎管流速越小;靠近彎管外側(cè)的邊壁處，曲率半徑越小，彎管流速越小。入口流速為1.0m/s和2.0m/s時,彎管在0。斷面處水平直徑上的流速情況與入口流速為0.5m/s工況的情況一致。第二，當(dāng)入口流速為0.5m/s時，彎管在45。斷面處水平直徑上的流速分布與0。斷面處水平直徑上的流速分布大不相同。首先，隨著彎管曲率半徑的變化,此斷面下流速的平均值不同，內(nèi)外側(cè)流速平均值也不相同，唯一相同的是外側(cè)的流速平均值均大于內(nèi)側(cè)平均流速。在此斷面下，彎管曲率半徑越小，靠近外側(cè)邊壁管內(nèi)流速越大，靠近內(nèi)側(cè)邊壁管內(nèi)流速越

4、小。當(dāng)入口流速為l.Om/s時，三個不同曲率半徑的彎管管流在45。斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律與入口流速為0.5m/s時一致，均為外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)平均流速。與此同時，在靠近彎管內(nèi)側(cè)邊壁處曲率半徑越大的彎管流速越小，而靠近彎管外側(cè)邊壁處曲率半徑越小的彎管流速越小。當(dāng)入口流速為1.5m/s時，三個不同曲率半徑的彎管管流在45。斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律與前面兩個流速工況下的分布規(guī)律發(fā)生變化。首先，曲率半徑為40cm的彎管管流在此斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速等于外側(cè)平均流速O當(dāng)入口流速大于1.5m/s時，該流速分布規(guī)律即將發(fā)生與之前相反的規(guī)律，因此1.5m/s為此情況下45。斷面處水平直

5、徑上的流速分布拐點(diǎn)。曲率半徑為70cm,100cm時的彎管45。斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律依然為外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)平均流速。當(dāng)入口流速為2m/s、彎管曲率半徑為40cm時,其內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速；當(dāng)彎管曲率半徑為70cm,100cm時，管內(nèi)的內(nèi)側(cè)平均流速小于外側(cè)平均流速。隨著入口流速的不斷增大,三個不同曲率半徑的彎管管流在45。斷面處水平直徑上的流速分布發(fā)生變化。當(dāng)入口流速為2.4m/s、彎管曲率半徑為40cm時，其45。斷面處水平直徑上的流速分布始終是拐點(diǎn)后的分布規(guī)律一內(nèi)側(cè)流速平均值大于外側(cè)流速平均值；當(dāng)曲率半徑為70cm時,其內(nèi)側(cè)流速平均值等于外側(cè)流速平均值，該入口流速為拐點(diǎn)

6、流速。但曲率SHANXIWATERRESOURCES半徑為100cm的彎管管流流速分布未變，內(nèi)外側(cè)平均流速的絕對差有所減小。當(dāng)入口流速為3.5m/s時，曲率半徑為40cm和7()cm的彎管管流在45。斷面處水平直徑上的流速分布為內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速；曲率半徑為100cm的彎管管流在45。斷面處水平直徑上的流速分布為內(nèi)側(cè)平均流速等于外側(cè)平均流速，口J以確定此流速為該曲率半徑下的拐點(diǎn)流速。45。斷面是比較典型的斷面,在該處水平直徑上流速拐點(diǎn)隨著彎管曲率半徑的增大而增大第三,當(dāng)入口流速為0.5m/s時，在90。斷面處，彎管曲率半徑的不同使得管內(nèi)流速的分布不同。隨著彎管曲率半徑的增大，此斷面的

7、流速平均值在增大。當(dāng)曲率半徑改變時，內(nèi)側(cè)流速平均值始終小于外側(cè)流速平均值，并且在彎管90。斷面處發(fā)生了螺旋流，從而使流速分布隨著螺旋流的變化而變化。但在靠近彎管內(nèi)側(cè)邊壁處的管內(nèi)流速隨著彎管曲率半徑的增大而增大。當(dāng)入口流速為1.0m/s時，在90。斷面處水平直徑上的流速變化與45。斷面處水平直徑上的流速變化有所不同，管內(nèi)流速平均值和內(nèi)外側(cè)流速平均值都隨著彎管曲率半徑的增大而增大，而且每個曲率半徑下的管內(nèi)流速都是外側(cè)平均流速大于內(nèi)側(cè)流速。曲率半徑為100cm時,90。斷面下的管內(nèi)流速發(fā)生了螺旋流。彎管曲率半徑不論如何變化，管內(nèi)的內(nèi)側(cè)平均流速均小于外側(cè)平均流速。當(dāng)入口流速為2.0m/s時,隨著曲率半

8、徑的增大,90。斷面處水平直徑上的平均流速一宜增大，內(nèi)側(cè)平均流速先減小后增大，而外側(cè)平均流速則是先增大后減小。流速分布中可以看到彎管曲率半徑為100cm時流速曲線在彎管靠近內(nèi)側(cè)處有點(diǎn)起落,原因是螺旋流在遠(yuǎn)離90。斷面時造成的。2不同管徑影響分析在直角有壓彎管曲率半徑為55cm,管徑不同時，隨著入口流速的增大，彎管的管流流速特性發(fā)生了變化。在彎管管徑為20cm,30cm,40cm時,入曰流速為0.2ni/s,0.5m/s,0.8m/s,1.0m/s,1.5m/s,2.0m/s時,直角有壓彎管在0。,45。,90。斷面下的流速情況如下：第一，在管徑為20cm、流速為0.5m/s時,0。斷面處水平直

9、徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。管內(nèi)水流在45。斷面時，內(nèi)側(cè)的平均流速小于外側(cè)的平均流速。同時在這兩個剖面之間有個內(nèi)外側(cè)平均流速大小變換過程。當(dāng)流速流到90。斷面處時，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時隨著斷面角度的增大,內(nèi)外側(cè)平均流速絕對差值也在不斷增大。在管徑為20cm、流速為1.3m/s時,0。斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速仍大于外側(cè)平均流速。在45。斷面時，管內(nèi)水流內(nèi)側(cè)的平均流速等于外側(cè)的平均流速,該流速為一個拐點(diǎn),與流速為0.5m/s時狀況不同。同時，在這兩個斷面之間有個內(nèi)側(cè)平均流速減小，外側(cè)的平均流速相應(yīng)增大。當(dāng)流速流到90。斷面處時，內(nèi)側(cè)的平均流速同樣小于外側(cè)平均流速。

10、在管徑為20cm、流速為1.5m/s時,0。斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。在大于拐點(diǎn)流速的情況下，管內(nèi)水流在45。斷面時，內(nèi)側(cè)的平均流速大于外側(cè)的平均流速。當(dāng)流速流到90。斷面處時，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時隨著剖面角度的增加，內(nèi)外側(cè)絕對差值先減小后增大。第二，在管徑為30cm、流速為0.5m/s時,0。斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。管內(nèi)水流在45。斷面時，內(nèi)側(cè)的平均流速小于外側(cè)的平均流速。同時在這兩個斷面之間內(nèi)側(cè)平均流速減小，外側(cè)的平均流速相應(yīng)增大。當(dāng)流速流到90。斷面處時，內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時隨著斷面角度的增加，內(nèi)外側(cè)絕

11、對差值先減小再增大。在管徑為30cm、流速為0.8m/s時,0。斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。當(dāng)流速為0.5m/s、管內(nèi)水流在45。斷面時，內(nèi)側(cè)的平均流速等于外側(cè)的平均流速，此流速為該管徑下的拐點(diǎn)流速。同時在這兩個斷面之間有個內(nèi)側(cè)平均流速減小,外側(cè)的平均流速相應(yīng)增大。當(dāng)流速流到90。斷面處時,內(nèi)側(cè)的平均流速依然小于外側(cè)平均流速。同時隨著斷面角度的增加，內(nèi)外側(cè)平均流速絕對差值先減小再增大。在管徑為30cm、流速為1.5m/s時,0。,90。斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律致。但45。斷面處水平直徑上的流速分布規(guī)律隨著拐點(diǎn)流速產(chǎn)生而發(fā)生改變,流速由原來的外側(cè)平均流速偏大變?yōu)楝F(xiàn)在的內(nèi)

12、側(cè)平均流速偏大。在曲率半徑均為55cm的情況下，隨著管徑的增大,45。斷面處水平直徑上的拐點(diǎn)流速在減小。第三,在管徑為40cm、流速為0.3m/s時,0。斷面處水平直徑上的流速規(guī)律不變。管內(nèi)水流在45。斷面時，內(nèi)側(cè)的平均流速基本等于外側(cè)的平均流速，此流速是45。斷面水平直徑處的拐點(diǎn)流速。當(dāng)在90。斷面處時，內(nèi)側(cè)的平均流速大于外側(cè)平均流速，與20cm,30cm管徑的彎管90。斷面處流速分布規(guī)律截然相反。造成這種情況的主要原因是曲率半徑為55cm不變的悄況下，管徑越大，彎管段越短，使得水流在%。斷面處發(fā)生了與前面不同管徑情況下相反的流速規(guī)律。在管徑為40cm,流速為1.0m/s時,0。,45。，9

13、0。斷面處水平直徑處的流速分布規(guī)(下轉(zhuǎn)第42頁)SHANXIWATERRESOLRCESSHANXIWATERRESOLRCES基巖澆筑鋼筋混凝土防滲面板，壩頂采用C25鋼筋混凝土加高至高程681.71m。對現(xiàn)狀上游壩面鑿毛、沖洗、清理干凈,為保證新舊砌體連接緊密，壩面設(shè)錨固鋼筋，設(shè)長1.5in、直徑16mm、間距1500mmxl500mm的錨筋，并插入壩體內(nèi)1.0m,呈梅花狀布置。混凝土防滲面板設(shè)伸縮縫,縫間設(shè)651橡膠止水-道，縫間采用閉孔泡沫板填充。左右壩肩地基表層進(jìn)行清理,去除覆蓋層、坡積物、強(qiáng)風(fēng)化巖石，在兩岸壩坡新鮮的巖面上設(shè)鋼筋混凝土防滲面板，兩岸防滲面板長12.5m,總長25m,

14、防滲面板頂高程679.21mo3.2揄水臥管改建現(xiàn)狀泄洪洞位于大壩中部左側(cè),進(jìn)口控制設(shè)施損壞，洞身為圓拱直墻式，寬1.2m,洞高1.7m,拱高0.5m,進(jìn)口處與取水臥管連接。泄洪洞出口底高程662.59m,目前，泄洪洞進(jìn)口已淤堵，不能泄洪。本次設(shè)計(jì)不考慮泄洪洞泄洪，設(shè)計(jì)將現(xiàn)狀進(jìn)口控制設(shè)施拆除.進(jìn)口采用C25D150S4混凝土封堵，由于泄洪洞兼有灌溉輸水功能，在現(xiàn)狀洞內(nèi)襯直徑1000mm的鋼管，壁厚15mm。現(xiàn)狀取水臥管位于大壩右側(cè)，與泄洪洞銜接，此次設(shè)計(jì)將輸水臥管拆除重建，臥管長21.2m,矩形斷面，寬0.7m、深0.5m,側(cè)墻采用M10水泥砂漿砌石，蓋板采用C25鋼筋混凝土預(yù)制，前擋板采用C

15、25混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)，管頂高程677.76m,底高程662.09m,上部為臺階狀，分20級，階高根據(jù)坡度從上到下確定為0.576m,0.991m,1.019m,0.367m,階長1.7m,正常蓄水位以下每一級設(shè)1個取水孔，共20個，取水孔直徑0.3m,并設(shè)直徑0.3m的鋼制塞。管頂厚100mm、管底厚650mm。3.3新建防汛搶險(xiǎn)道路從侯馬市到金沙村有鄉(xiāng)級公路，從金沙村至金沙水庫無上壩道路，需翻山越嶺上壩,交通極為不便，不利于防汛搶險(xiǎn)c此次除險(xiǎn)加固工程結(jié)合施工道路修建永久性防汛搶險(xiǎn)道路，在山區(qū)段新修寬4m、長2.77km的道路，路面為沿山坡開挖形成,巖石開挖邊坡1：0.2,土體邊坡1：0.75,

16、回填邊坡1：1,為防止岸上巖石坍塌，修建時采用風(fēng)鉆破碎巖石，嚴(yán)禁放炮。為保證車輛通行安全，在急彎道段道路外側(cè)設(shè)M7.5漿砌石安全墩,墩高0.5m,寬0.30.5m,長1.0m,間距1.0m?？傆?jì)4段，長200m。3.4新建管理站根據(jù)工程需要,在金沙村南新建管理房,管理站占地面積320n?,建管理房3間，建筑面積50為磚混凝土結(jié)構(gòu)。4結(jié)語通過對金沙水庫大壩及溢流設(shè)施改造、輸水臥管修復(fù)及新建上壩道路和管理房等一系列工程措施，水庫的病險(xiǎn)問題得到了有效解決,從而使其更好地發(fā)揮防洪作用，確保了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益?！咀髡吆喗轭惻闻危?984-）,男，2012年畢業(yè)于河北工

17、程大學(xué)水利水電工程專業(yè)，助理工程師。收稿日期2014-07-1】；修回日期2014-08-20（上接第28頁）律均為內(nèi)側(cè)平均流速大于外側(cè)平均流速。45。斷面是比較典型的斷面,在該處水平直徑上流速拐點(diǎn)隨著彎管管徑的增大而減小。3結(jié)論利用可行的數(shù)值模擬方法,系統(tǒng)分析了在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型下不同曲率半徑和不同彎管管徑情況下，入口流速不同時,0。,45。,90。斷面處水平直徑上的流速分布情況。第一，在管徑為10cm彎管的基礎(chǔ)巳當(dāng)增加彎管的曲率半徑時，隨著入口流速的增加,0。斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速始終大于外側(cè)平均流速；45。斷面處水平直徑上的彎管內(nèi)部流速分布是：在入口流速小于拐點(diǎn)流速的情況下，外側(cè)平均流速偏大;等于拐點(diǎn)流速時，內(nèi)外側(cè)平均流速相等；大于拐點(diǎn)流速時,內(nèi)側(cè)平均流速偏大。并且在彎管管徑一定的情況下,拐點(diǎn)流速隨著曲率半徑的增大而增大,兩者呈線性趨勢;90。斷面處水平直徑上的內(nèi)側(cè)平均流速也始終小于外側(cè)平均流速。第二，在彎管曲率半徑為55cm的基礎(chǔ)上.增加彎管管徑，當(dāng)入口流速為0.5m