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1、通风空调低雷诺数90弯管阻力系数的实验与数值模拟李 涛 青岛科技大学 青岛市松领路中段青岛科技大学机电学院 266061，13156290120李安桂 西安建筑科技大学 西安市雁塔 路13号 710055摘要：本文利用试验和数值模拟两种手段，对90弯管进行了研究，分析了管道中的压力分布和速度分布，探讨了空气通过局部构件产生阻力损失的变化规律和机理，测量了局部构件对上下游管段的影响长度，深化了对单个局部构件阻力损失机理和变化规律的认识，为矩形90弯管的进一步研究和预测提供了一定根据。关键词：弯管 压力损失 压力分布 局部阻力损失系数Numerical and Experimental Study
2、 of PressureLoss Coefficient in HVAC FittingsLi Tao, Qingdao University of Science & Technology, Songling Rd, Qingdao,266061Li Angui, Xian University of Architecture & Technology, Yanta Rd,Xian, 710055Abstract：Turbulent flows in fittings with one elbow were studied by solving three-dimensional Reyno
3、lds-averaged Navier-Stokes equations and experiment, analyzing pressure and velocity distributing in ducts, revealing pressure loss mechanism. The affecting distance was measured. This study can not only make us realize the hydrodynamic characteristics in combining bends more deeply, but also provid
4、ed scientific reference for the study for mechanism and prediction in the future.Keyword: bends，Pressure loss，Pressure distribution，Local loss coefficients管道局部构件阻力系数是空调风道设计计算中极为常见的水力参数。空调系统风道的特点是：管径（或当量管径）大，风速变化大；局部构件（弯管、三通、阀门等）数量多，各局部构件之间的间距短；弯管转弯半径小。这些特点决定了空调系统，特别是支风道的水力学特性：1)、气流雷诺数不高。2)、局部阻力损失远超过
5、沿程阻力损失，是管道压力损失的主体。3)、局部构件件中以弯管、三通数量为多，局部阻力损失占系统局部阻力损失总量的4060%。4)、局部构件之间相互干涉严重，引起各局部阻力间的相互影响。基于以上特点，在风道设计计算中，局部阻力系数选择得是否合适，就会直接影响到管道系统的安全、经济运行。鉴于手册上的局部阻力系数对应着流动阻力平方区，而在空调通风管道中，属于低雷诺数范围，因此给设计和调试人员带来了问题，即目前与实际相吻合的阻力系数和流量特性的数据资料为数不多。为此，本文的研究重点，就是通过实验研究，期望得到可以在实际工程设计的低雷诺数（Re105以后，局阻系数趋于定值，这个结论完全符合苏联Tatap
6、yk所认为的Re1.5105时，局阻系数进入自模区的结论。下表为雷诺数大于105时本文测得的数据和文献结果的比较。表1 矩形截面风管90弯头h/b（高宽）试验值暖通手册ASHRAE美国工业通风手册MillerTatapyk2K常数法3K常数法1.70.150.200.200.190.210.230.180.250.160.60.410.340.270.260.230.330.250.240.15通过表1比较可见，我们的试验值与国外数据有一定的出入，经分析，主要是由于国外的构造形式和我们的标准件不尽一致，资料的来源不一致，以及整理的方法也不尽一致等原因造成的。3 计算机模拟研究结果及分析3.1
7、网格划分弯管上、下游直管段长为80倍当量直径45，整个管道采用相同的边界层划分格式，如图3.1，由于流体流向在弯管段发生改变，压力损失主要发生在这一段，因此为了更好的预测压力损失，有必要对弯管段的网格进行细化5，如图3.2。图3.1 边界层及面网格划分情况图3.2 弯管段网格划分情况3.2 计算模型选择由于剪应力传输k方程模型（SST K-模型）更适合对流减压区的计算。另外它还考虑了正交发散项，从而使方程在近壁面和远壁面都适合。SST k方程模型由Menter发展的，目的是更好的预测不受k-方程控制的近壁面区域，使k方程更好的应用与这一区域。因此本文采用SST k方程模型。3.3 试算结果根据
8、文献6摩擦损失计算图表制作的具体条件来检查本文网格划分、边界条件的设置等等是否合理。具体条件如下：绝对粗糙度K=0.15mm3，标准状态空气，温度20，密度1.204/m3,运动粘度=15.0610-6/s,标准大气压力P=101.3KPa 。模拟计算结果如表2 表2 标准状况下高500弯管局阻系数计算结果风速4.555.5678雷诺数1120511245021369521494021743021992030.2220.220.2170.2180.2130.22在相同的雷诺数的条件下，Miller3测得的数值为0.24，与本文结果相差8%，与ASHRAE7手册数据0.21相差4.5%。因此本文
9、所用数值模拟方法是有效的。3.4模拟结果与分析3.4.1 高500mm90弯管压力场和速度场分布（风速5.5m/s）1.弯管内压力分布图3.3显示了在弯管中全压的分布情况，紊流核心偏向弯管内侧，这一现象与实验结果完全吻合。从图3.3（c）（d）可以看出，速度在弯管内侧中间部分具有最大值，弯管外侧靠近壁面处具有最小值，断面呈现出了强烈的二次环流，弯管下半部的二次环流壁上半部尺寸相当。弯管内二次流的分布：在弯管上游没有二次流的发生，二次流从弯管内10（与进口断面夹角）开始出现，20时二次流明显显现（见图3.3（d）（e）（f），到弯管下游70倍当量直径处基本消失。二次环流的方向：顺气流方向观察，弯
10、管上半部分，旋涡方向为顺时针，下半部分旋涡方向为逆时针。与文献1实验结果一致。从图3.4（v）（w）来看，在弯管下游60、70倍管径处，二次流还没有完全消失。图3.3（g）可以看出在弯管内侧靠近壁面处，出现了微小的旋涡。尼古拉兹(J.Niknradse,1930)测量了矩形截面管道截面上的等速度线（图3.3(h)）。从图3.3(h)中可看到矩形截面管中的等速度线不是矩形，在拐角处产生沿角平分线流向拐角的二次流，使矩形变形；在核心区等速度线呈椭圆形。从图3.3（i）我们可以看到相同的现象。图3.3 （a）弯管45截面位置图 图3.3（b）弯管45截面全压图图3.3 (c) 弯管45截面速度分布图
11、图3.3 (d) 弯管10截面速度分布图图3.3 (e) 弯管15截面速度分布图图3.3 (f) 弯管20截面速度分布图 3.3（g） z=0.15断面弯管内部速度矢量度图3.3（h）矩形截面管中的等速度线图3.3（i）上游2倍管径处截面等速度线为了更好的了解弯管对前后管段的影响，作者截取了18个断面来说明，分别是上游0、1、2倍管径断面，下游0、1、2、3、4、6、12、15、20、30、40、50、60、70、140倍管径断面。如图3.4系列所示。2.上游管段从图3.4 (k)可以看出，在弯管上游管段，紊流中心虽然仍具管段中心，但逐渐向弯管内侧靠拢，从上游1倍管径处，弯管对上游的影响开始明
12、显显现,在弯管上游1倍管径到0倍管径之间，紊流中心明显的偏向弯管内侧。3.下游管段从图3.4（b）可以看出，在弯管下有0倍管径断面处，全压值在管道内侧出现负值，紊流核心区在管道外侧。图3.4（c）可以看出，低压区开始离开内壁面，向管道中心靠拢，高压区仍在靠近外壁面处，图3.4（d）可以看出低压区继续向管道中心靠拢能够，高压区在靠近外壁面处分为两个部分。图3.4（e）、（f）说明，低压区占据了管道中心部分，高压区反而在周围近壁面区域。下游距弯管6倍管径处（图3.4（g），低压区继续向管道外侧移动，管道内侧变为高压区。弯管下有12倍管径以后的段面（图3.4(h) (i)(j)）,高压区重新回到管道
13、中间区域，低压区分布于近壁面区域。紊流重新获得发展。从图3.4（l）可以看出，紊流强度最大的地方是在弯管下游0倍管径处管道外侧近壁面处，而不是在弯管内部。从图3.4（m）(n)（o）可以看出，气流在弯管下游70倍管径段面处才完全恢复到原来状态。通过以上观察和分析可以得出结论：高500mm弯管对上游的影响最远影响至12倍管径，对下游的影响可达70倍管径。图3.4（a）各断面位置图图3.4（b）下游0倍管径全压图图3.4（c）下游1倍管径全压图图3.4（d）下游2倍管径全压图图3.4（e）下游3倍管径全压图图3.4（f）下游4倍管径全压图图3.4（g）下游6倍管径全压图图3.4（h）下游12倍管径
14、全压图图3.4（i）下游15倍管径全压图图3.4（j）下游20倍管径全压图图3.4（k）高500mm弯管速度分布图（Z250mm断面）图3.4（l）Z250mm断面紊流k动能分布图图3.4（m）下游60内管径段面全压图图3.4（n）下游60内管径段面速度矢量图图3.4（o）下游70内管径段面速度矢量图图3.5 （a）高300mm弯管的速度分布图（Z=150水平断面）图3.5（b）高300mm弯管下游60倍管径段面全压图图3.5（c）高300mm弯管下游140倍当量直径段面全压图3.4.2 高500mm90弯管压力场和速度场分布（风速5m/s）两种弯管前后断压力分布规律相同，不再赘述。图3.5(
15、a)是高300mm单个90弯管的速度分布图（Z=150水平断面），和图3.4（n）比较我们发现二者空气流速并没有大的不同，只是高300弯管对上游空气流速的影响没有高500弯管显著，尽管他们都是在上游1倍管径距离之内速度核心向弯管内侧偏移；在弯管内，二者都在内侧近壁面处出现速度的最大值；在弯管下游，紊流核心从管道外侧近壁面处向内侧移动，然后再向管道中心移动，最后占据管道中心，恢复到完全发展状态；对下游的影响距离方面，高300mm弯管影响距离更长，比较图3.5（b）、（c）和3.4（m）(n)（o）可以发现，高500mm弯管下游70倍管径断面处，紊流已经恢复到完全发展状态，而高300mm弯管下游7
16、0倍管道当量直径断面处，压力分布仍然不平均，紊流核心还在管道内侧，在140倍当量直径处断面才基本恢复到完全发展状态。与2.2节得出的结论相一致。3.5 模拟和实验局部阻力系数比较和分析：图3.6（a）高500mm的90度弯管阻力系数随雷诺数的变化趋势图3.6（b） 高300mm弯管局阻系数随风速变化曲线从图3.6可以看出，虽然曲线的变化趋势是相同，但模拟结果同实验结果相比有一定出入。国内外用数值方法研究阻力系数的文献较少，只能拿其他方面的研究作为对照，如余雷等人8在发汗冷却换热的研究中实验与模拟计算的差值最大为28，卢旦等人9的试验和模拟的差值最大为18，Sujan Sami和Jie Cui的
17、研究中也有最大10的差值，但是都得出了相关研究变化规律趋势一样的结论。作者认为本文数据有一定出入的原因是： 1.）模拟计算没有考虑风管之间接口的阻力影响，实验用风管之间的连接采用封条联接，突起高度大约4；2.）模拟计算假设管内流体为理想流体，而西安地处西北，空气中含尘量较大，阻力也较大；3.）由于实际空间限制，实验和模拟测压断面不同，实验的测压断面弯管上游测压断面都是取得2倍管径断面，实验下游测压断面取6倍管径处断面，模拟计算取弯管下游12倍管径处段面。4.）实际测压中必须在风管上打孔，壁面孔洞对也管内气流有一定影响；5.）实验所用仪器精度不高。6.）实际情况下的风机工况不稳定，而模拟计算中风
18、管进口给风速是一定值。4结论 本文通过试验和数值模拟研究了在空调工程送风范围内，风管局部构件阻力系数的机理，现将有关结论总结如下：1. 弯管对上下游管段的影响：弯管对上游的影响最远影响至12倍管径，对下游的影响：h/b1.0时大约在6070倍管径距离之间，h/b1.5105以后，局阻系数趋于定值，即局阻系数进入自模区。3. 90弯管及其Z形组合的压力和速度分布：流体进入弯管上有12倍当量直径处紊流核心向弯管内侧发生偏移，弯管下游管段紊流核心从靠近管道外侧，过渡到管道内侧，最后过渡到管段中心，逐步恢复到完全发展状态。只在弯管内侧有微小旋涡。紊流强度最大的地方是在弯管下游0倍管径处管道外侧近壁面处
19、，而不是在弯管内部。4. 弯管内二次流的分布：在弯管上游没有二次流的发生，二次流从弯管内10（与进口断面夹角）开始出现，20时二次流明显显现，到弯管下游70倍当量直径处基本消失。二次环流的方向：顺气流方向观察，弯管上半部分，旋涡方向为顺时针，下半部分旋涡方向为逆时针。参考文献：1 周谟仁 流体力学 泵与风机（第三版） 中国建筑工业出版社2 赵懿君 双弯管0组合水力特性相邻影响的试验研究 中国水利水电科学研究院硕士论文3 Donald S. Miller, INTERNAL FLOW , BHRA ,19714 William J. Rahmeyer, Ph.D., P.E. Pressure
20、Loss Coefficients for Close-Coupled Pipe Ells. ASHRAE Transaction: Research. 4535(RP-1035)5 Sujan Sami, Jie Cui, Ph.D. NUMERICAL STUDY OF RESSURE LOSSES INCLOSE-COUPLED FITTINGS. HVAC&R Research. Volume 10, Number 4 Oct. 2004 6 陆耀庆. 供暖通风设计手册 .中国建筑工业出版社 19877 ASHRAE HANDBOOK(Duct Desigh) 19978 余磊、姜培学 发汗冷却换热过程的实验研究与数值模拟 工程热物理学报2005.19 卢旦 双幕墙建筑通风性能的数值模拟研究 浙江大学学报 杭州2005.1