FLUENT在90°弯头局部阻力计算中的应用

1 前言

在进行管道水力计算时，不可避免地要计算局部阻力损失，各种局部阻力件的阻力系数可以从标准规范、设计手册里查取。

从工程角度讲，这些阻力系数最好是有一定的保守余量，确保设备选型比如泵的扬程足够。

今天我们用FLUENT针对一个90°长半径弯头（R/D=1.5）的局部阻力系数进行计算，并与其他文献的取值进行对比。

2 案例描述

一个90°DN25的长半径弯头，内径Ø30.5mm，管壁粗糙度0.05mm，其他尺寸如下图。

管内介质为水，密度998.2kg/m³，粘度0.001Pa·s，入口速度6.6m/s。

3 经验公式求解

根据已知条件，雷诺数为：

Re=ρud/μ=998.2×6.6×0.0305/0.001=200937.66

流动状态为湍流，且处于阻力平方区，通常阻力系数ξ与雷诺数有关，当处于阻力平方区时（多数学者建议Re＞2×10⁵），可不考虑雷诺数的影响，即阻力系数恒定不变（Miller认为Re＞1×10⁶）。

本案例按照如下经验公式进行阻力系数计算（使用条件Re＞2×10⁵）， 结果为ξ=0.2065。

4 FLUENT求解

4.1 建模与网格

管内流动问题，我们只需要建立流体域即可，壁面厚度不建模，同时为了避免入口非充分发展的影响，将弯头前后各自延长了100mm。划分全六面体网格如下，网格节点总数331773，最小正交质量0.65。

4.2 求解设置

采用稳态求解，标准k-e湍流模型（也可以用SST ω），入口为速度边界，出口为压力边界，管壁为无滑移避面，设置如下：

其他设置保持默认。

4.3 计算结果

首先，我们看一下管道中心面的速度和压力分布。可以看出弯头位置产生了二次流，速度压力分布都有偏移，这是产生局部阻力的主要因素。

我们再看一下弯头进出口的平均压力，可以求得进出口压差为4677.222Pa，因此可以根据以下公式反求得局部阻力系数ξ=0.2151，与上述经验公式相比，偏差为4.16%。

相信不少读者应该会发现不少设计手册的弯头局部阻力系数推荐值可能明显大于本案例计算的值。当然，本案例仅仅提供思路，具体的数值计算精度没有细究，局部网格需要再细化。

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