FLUENT多个弯头管道阻力计算

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1 前言

通常我们在计算管道的流动阻力时，各个局部阻力件的阻力直接相加，实际上当局部阻力件相距较近时，他们之间具有一定的影响，有时候会产生“1+1＞2”的效果，有时候会产生“1+1＜2”的效果。具体的内容可参考《internal flow systems》这本教材，本案例素材也是来源于该教材。

2 建模与网格

有如下的管道，其中两个90°弯头距离1m，且成垂直布置。管道介质为水，流速为2m/s，密度1000kg/m³，运动粘度1.14e-6m²/s。

采用solidworks进行几何建模，并在FLUENT meshing模块建立多面体网格如下。

3 求解设置

根据已知条件，流动雷诺数为0.88×10⁶，为湍流流态，采用标准k-e湍流模型，标准壁面函数。

管道入口采用速度边界，湍流边界用湍流强度和水力直径，分别为2.89%和0.5m。这里，用EXCEL编写了一个湍流边界条件计算表，方便将来的使用。

管道出口采用压力出口，表压为0Pa，湍流边界从上。

其他设置采用默认。

4 计算结果

4.1 经验公式计算

采用沿程阻力和局部阻力计算公式，求得管道总压力损失为0.21m，亦即2060.1Pa，详细计算过程如下，部分曲线图请见教材。

4.2 FLUENT计算结果

先看一下管道壁面的Y+分布，基本处于30~300之间，该网格用标准壁面函数是合适的。如果范围超出，可考虑用网格自适应或者重新划分网格，本案例采用了网格自适应方法。

重点看一下进出口的压降，可以看出管道总阻力损失为2215.4Pa，高于以上经验公式计算结果7.5%。这和速度入口设定为非充分发展状态有一定关系，特别是在沿程阻力占比较小的时候。

我们再看一下管道介质的流动迹线图，再两个弯头之间流体发生了旋转，且有向弯头内部流动的效果，在第二个弯头下游也产生了旋转。这也是采用经验公式进行局部阻力计算需要进行修正的原因，可以查看上文经验公式计算的第四步，局部阻力系数乘以0.74，若不进行修正，则管道总阻力损失为0.225m，使得计算结果偏保守了约7%。

来源：仿真与工程

湍流

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首次发布时间：2023-07-05