90 弯头内导流片的优化设计.doc

90_弯头内导流片的优化设计.doc90o弯头内导流片的优化设计
龙血松，彭向和，贾兴豪
（重庆大学工程力学系，重庆 400044）
摘 要：基于三维不可压时均 N-S方程，以弯头内部流体为研究对象， 运用CFD软件对含不同导流片设计 的弯头内流场进行了数值分析。考虑不同片数、不同分布的导流片对弯头内部流场的影响。计算结果表明： 导流片的合理设计可有效降低弯头内部流体的流速并改善流场分布，从而有效提高弯头的可靠性和使用寿 命，亦可为弯头内导流片的设计及优化提供理论依据。
关键词：弯头；导流片；流场；优化
管道系统广泛地应用于水利、石油、化工等工业领域，弯头是管道系统中的常用部件，
因此研究弯头内的流动具有普遍意义。 弯头内的流动极其复杂，如管壁附近的分离流动，截 面上的二次流等，这对弯头的设计提出了很高的要求。 为确保弯头的可靠性和使用寿命， 必 须对弯头的内部结构进行合理的设计。
随着弯管内流体流动现象实验 [1~3]的不断丰富，给弯管内流动的数值计算带来了新的契 机。近些年，人们已采用数值方法描述了二次流、分离流等实验现象，并在湍流模型、截面 形态等方面开展了大量深入的研究 [4~6]，但对其弯管内部结构的研究相对较少。一些研究者
[7~8]在对含导流片弯管内的流场进行分析时，仅得到导流片可以改善弯头内部流动的结论， 并未对导流片的详细信息（如导流片的片数、分布方式等）进行详细分析。由于运用数值模拟 软件可灵活地分析不同条件下弯头内的流动特性，并排除实验过程中各种随机因素的影响。 因此本文使用 CFD软件Flue nt对含不同导流片的弯头内流场进行了数值计算，分析了不同 片数、不同分布的导流片对弯头内部流场的影响， 其结果对弯头内导流片的设计及优化具有
指导作用，亦为实际工程应用提供理论依据。
研究对象
结合某管路系统中常用弯头的结构优化设计，采用导流片方式优化弯头内部结构以改 善内部流动状况。以弯头内部流体为研究对象， 对不同片数、不同分布的各设计进行了数值
分析，以均匀流速和压场为主要目标，讨论了各因素对流场的影响。
设直角弯头的弯曲半径为 125mm，外径为140mm，内径为124mm，导流片的厚度为
2mm（见图1）。根据弯头的结构特点和内部流动状态，其结构优化设计主要是在弯曲半径 R
方向合理布置导流片（片数、分布）。
导流片的优化设计分三步：第一步，根据弯头的结构特点和内部流动状态 [4,6]，采用等
比例、黄金比例的方式布置单片导流片，得到单片导流片不同分布的设计；第二步，根据第
基金项目：国家自然科学基金项目10872220资助
作者简介：龙血松（1981-），男，重庆人，博士研究生； Email: ******@
步计算结果，在其余位置布置第二片导流片，得到两片导流片不同分布方式的设计方案;
第三步，初步确定了导流片的片数和分布方式之后， 对局部位置进行分析以确定导流片的最
优设计。
出口 （压强）
图1弯头结构示意图
数学模型

通过对瞬态连续方程和 Navier-Stokes方程时均化，得到笛卡尔坐标系下不可压流体的
控制方程。
连续方程：
经=0 （i,j =1,2,3） （1）
动量方程（N-S方程）：
習xj
? ?
卩
?3?
?-飯
一一
? ?
5
P
+
??
P
?
pUiUj'?+Si (2)
?
式中，q、Uj、p和S分别表示流体的平均速度、脉动速度、平均压力和流体体力。
考虑重力作用时， Si = - pg &。 Rey no Ids应力t = - pui u j，采用基于Bouss in esq假定的
两方程涡粘模型求解。
RNG k- £模型
RNG k-£模型在工程中应用最为广泛，特别是计算强旋流或带有弯曲壁面的流动。该模 型由Yakhot及Orzag[9]提出，所得到的k方程和&方程为：
湍动能方程（k方程）:
?k
?t
p
K
G
+
? 3?
?k一??
? 3?
?
P
湍能耗散率方程（&方程）:
£
9.
9.
£
9-
?t
p
?x
?x
式中：嘶=u+ 弘;佻=pCg k / £； Ci £ = Ci £- n (1- n'n )/(1 + Bn)；
1/2
n = （2Ej ?Ej ） k £,其中已知参数见表 1。
表1 RNG k- &模型中已知参量值
4曰. 参量
5
a
a
C1 £
C2 £
n
数值（
.0845
9





RNG k-£