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摘要：水泵出口常会遇到有不同的变径形式，分为普通弯头和异径弯头，普通弯头中变径形式有大小头位置的差别，即先弯头后变径和先变径后弯头的差别，本文通过数值模拟的方法探究三种变径形式的弯头的阻力损失，根据总压损失可知，以异径弯头为模型核心的模型3的阻力损失最小。
关键词：阻力损失；异径弯头；数值模拟
前言
在现实条件下管道路由不可能做到完全直线，因此弯头在以水为介质的钢管道中使用非常普遍，由于弯头在管网中非常多，因此分析其不同形式的阻力损失具有重大意义[1]。分析管道管件的阻力的方式有多种多样，有基于CFD计算的模拟法[2-3]、有基于试验探究的实验法[4-5]，目前分析管道的阻力实际工程应用中，主要通过不同的水利计算公式对不同的管径、管件进行估算[1]，从而建立整个管网的水力模型，这样做的好处是能够快速得到可以利用的结果，从而加快工程建设和应用。而水力计算公式的缺陷也同样明显，水力计算公式的计算参数很多建立在经验公式之上，容易导致不同管件在细节上的数据丢失，从而产生管网水力模型误差，导致水力计算出的结果与实际应用结果不相符合。基于此本文利用CFD模拟研究不同变径形式的弯头阻力损失，以期为工程实际运用提供相关指导。
1 模型建立及设置
本文以水泵出口为例，本例假设离心式水泵出口为横向，通过弯头及变径将水输送至垂直于地面的立管，离心泵出口为DN250管道，立管管段管径为DN500，本文以不同管段变径及弯头组合为例，建立三种变径和弯头组合模型，分别是先普通弯头后变径（模型1）、先变径后普通弯头（模型2）和异径弯头（模型3）三种情形，模型1、模型2、模型3分别对应图1、图2、图3所示，探究不同情形下的管件组合的水力损失。三种模型均选取相同长度的管段，三个模型的入口均为水泵出口，公称直径为DN250，三个模型的出口均为DN500直管段。DN500直管段长度相同，模型进口处离DN500直管段轴线距离相同。
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图1 图2 图3
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图4 模型1管段静压力截面图
如图1、图2、图3所示均为水泵出口DN250管道至DN500变径和弯头组合的过程，差别在于形式不同，图1采用DN250弯头然后进行大小头变径的方式；图2采用DN250转DN500大小头然后连接DN500弯头方式；图3直接采用变径弯头的方式。 将以上三个三维模型导入ICEM中，确定边界条件，为了提高计算精度，在ICEM中对三个模型分别进行六面体网格的划分，然后将ICEM中划分好的网格导入FLUENT中完成计算前准备。查询水泵名牌知其额定流量为1500m3/h，以额定流量为例进行计算，通过换算知在1500m3/h流量下水泵出口流速为7.91m/s，计算雷诺数易知该流动为湍流范围，因此在FLUENT中对三种模型设置速度进口为7.91m/s。假设管道为钢管，其粗糙度设置为0.5mm[6]，然后分别对三个模型进行计算，得出相应管段的阻力损失。
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图5模型2管段静压力截面图
2 结果分析
根据FLUENT计算结果，分别得到模型1、模型2和模型3的静压力截面图和总压力截面云图，由3张云图可以发现三个模型存在较大不同。如图4所示是模型1管段静压力截面图，由图中可以看出该模型在静压力均匀性上存在较大不足，在大小头与DN500管连接处的左侧存在高压区，可能导致该处管道局部应力大。而在DN250弯头右侧及大小头与DN250弯头连接处左侧存在低压区，可能发生空化现象，导致管道气蚀损坏。
根据计算结果知模型1进口处平均总压为531842.85Pa，而出口处平均总压为504630.38Pa，因此从压力损失的角度该管段损失了27212.47Pa。如图5为模型2静压力截面图，由图知该模型总体均匀性较好，几乎不产生额外的低压区或高压区，因流体压力导致的管段局部应力几乎没有，也没有产生空化条件的流体低压区，因此相比于模型1，模型2的流体特性得到了较大改善。
根据模拟计算结果可知模型2进口平均总压为509071.17Pa，出口平均总压为502338.27Pa，该管段的总压损失为6732.9Pa，相比于模型1，模型2的阻力特性得到较大改善。如图6所示为模型3的静压力截面图，从该云图也可以看出模型3的静压力均匀性也较好，且静压力在流体前进方向上基本按线性增加，避免了管道内部局部高压和局部低压区的形成，有助于减小阻力损失。
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图6 模型3管段静压力截面图 根据计算结果，模型3进口平均总压为506721.71Pa，出口平均总压为502790.95Pa，该管段的总压损失为3930.76Pa，与前两个模型相比，阻力损失有较大改善。综合以上云图及查看表1可知，模型2、3在静压力的分布上优于模型1，同时根据计算，模型2、3比模型1的阻力损失小一个数量级，因此，从静压力分布和阻力损失的角度模型3优于模型2，而模型2优于模型1，因此在水泵出口处弯头的选择上宜优先选择模型3方案。
表1 三种模型压力损失比较
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结论
在实际工程应用中，关于水泵出口处的弯头优先选择模型3方案，即以异径弯头来作为变径和转弯的方式，这样有利于减少管网的阻力损失及产生空化气蚀等现象的可能性。同时在由于条件限制不能选择模型3方案时，也应该优先选择模型2方案。
参考文献：
[1]傅德薰.流体力学数值模拟[M].国防工业出版社，1993.
[2]林 啸.基于Fluent的热力管道弯头管段流动阻力数值模拟及分析[J].工程技术（引文版）：00327-00327.
[3]申晓光.褚德海.曲莹军.水管路水力特性数值模拟[J].黑龙江科技信息，2015（32）：52-53.
[4]贺益英.赵懿珺.孙淑卿.等.弯管局部阻力系数的试验研究[J].水利学报，2003，000（011）：54-58.
[5]郭曹虹.弯管阻力损失的理论及实验研究[D].华东理工大学，2012.
[6]张昕.纪昌知.姜敏.等.相对粗糙度和雷诺数对90°弯管局部阻力系数的影响[J].水力发电学报，2013（04）：92-97+156.