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。
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。 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。 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。 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%。