一种通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，包括S1对突扩管道局部流场进行量纲分析，找出突扩断面前后范围的影响关系；S2通过能量方程计算管道突扩前的单位长度沿程水头损失；S3通过能量方程计算管道突扩后的单位长度沿程水头损失；S4计算水流经过管道突扩段时的局部水头损失；S5通过CFD方法找到突扩前和突扩后局部流场的影响临界断面；S6通过CFD选取不同收缩比在不同雷诺数下进行计算，与S5得到的局部流动影响范围的无量纲数进行数据分析，从而得到影响范围随雷诺数的具体表达式。本发明专利技术能够准确预测突扩管道局部流动的影响范围，提高能量方程中水头损失的计算精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
一种通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法


[0001]本专利技术涉及一种通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，属于水利工程领域。

技术介绍

[0002]水利工程中远距离输水和配水中会用到大量的有压管道，根据工程和地形需要往往管道接口处发生改变，其中截面突变是很常见的一种形式，比如说突扩、突缩管道。流体在经过截面突变的局部区域，边界急剧变化引起边界层分离，形成漩涡区，产生的水头损失以局部水头损失为主。目前水力学中多通过列写能量方程的方式对管道局部水头损失进行计算，列写能量方程第一步就是选择恰当的进水断面和出水断面，其位置的准确与否直接决定了计算结果的精度，水力学中常常大致估计一下断面的所在位置，这样显然是不合理的。此外，通过模型试验来测试突变管道的水头损失，需要对管道每一个断面的压力和流速进行测量，此方法工作量较大、限制条件诸多、试验周期较长、误差很难满足精度要求，而且对每种尺寸的突扩或突缩管道进行试验很不现实。随着流体动力学(CFD)的快速发展，由于其具有建模便捷、可直接对原型进行模拟、试验重复性较好等优点，数值模拟成为另一种有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：对基准尺度突扩管道局部流场各参数之间进行量纲分析，找出突扩断面前后影响长度与各参数之间的量纲关系；步骤S2：对基准尺度突扩管道的突扩断面前的均匀流处选取两个过流断面，建立能量方程，计算管道突扩前的不受局部流场影响的单位长度沿程水头损失；步骤S3：对基准尺度突扩管道的突扩断面后的均匀流处选取两个过流断面，建立能量方程，计算管道突扩后的不受局部流场影响的单位长度沿程水头损失；步骤S4：对基准尺度突扩管道的突扩断面前和突扩断面后均匀流处各取一个过流断面列写能量方程，计算求解水流经过管道突扩段时产生的局部水头损失；步骤S5：通过CFD计算找到基准尺度突扩管道突扩前和突扩后局部流场的影响边界；步骤S6：在不同雷诺数条件下，通过步骤S5提出的方法找出与基准尺度不同的多个不同收缩比突扩管道局部流场的影响边界；步骤S7：通过SPSS对步骤S6中得到的不同收缩比突扩管道局部流场的影响边界进行数据分析，得到的局部流动影响范围与雷诺数的具体表达式；步骤S8：测得工程中突扩管道的突扩前管道直径和突扩后管道直径，带入步骤S7中拟合得到的公式即可求得突扩管道局部流动影响范围。2.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过以下方法实现：建立基准尺度突扩管道模型，突扩断面前为小直径管道，突扩断面后为大直径管道，小直径管道的直径定义为d，小直径管道的长度为L
b
，大直径管道的直径定义为D，大直径管道的长度为L
a
，管道中速度为v，管壁糙率为n，管壁绝对粗糙度表示为
△
，液体密度为ρ，动力粘性系数为μ，重力加速度为g，局部流动在小直径管中的影响边界与突扩断面之间的距离为L1，定义小直径管道的回流度为L1/d，局部流动在大直径管中的影响边界与突扩断面之间的距离为L2，定义大直径管道的回流度为L2/D，列写局部流动影响范围的量纲关系式：L1/D，L2/D＝f(Re,d/D,Δ/D,n)式中：Re为管道雷诺数，其表达式为Re＝vρd/μ，d/D为突扩管小直径管径与大直径管径的正收缩比，
△
/D为管道的相对粗糙度，n为管道的糙率。3.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过以下方法实现：在突扩断面前的均匀流处选取两个不受突扩断面局部流动影响的过流断面，分别定义为断面1
‑
1和断面2
‑
2，以突扩管道的中心线为基准线对断面1
‑
1和断面2
‑
2建立能量方程如下：式中：Z1、Z2分别为断面1
‑
1、断面2
‑
2的单位重量液体的位置水头，p1/ρg、p2/ρg分别为断面1
‑
1、断面2
‑
2的单位重量液体的压强水头，v
12
/2g、v
22
/2g分别为断面1
‑
1、断面2
‑
2的单位重量液体的速度水头，h
f1
‑2为断面1
‑
1与断面2
‑
2之间的水头损失，由于断面1
‑
1和断面2
‑
2均取至均匀流管段；由此可以计算得到断面1
‑
1与断面2
‑
2之间的沿程水头损失h
f1
‑2如下式所示：
则突扩断面前的单位长度沿程水头损失h
’
f1
‑2如下式所示：式中x2‑
x1为断面2
‑
2与断面1
‑
1之间的直线距离。4.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过以下方法实现：在突扩断面后的均匀流处选取两个不受突扩断面局部流动影响的过流断面，分别定义为断面3
‑
3和断面4
‑
4，以突扩管道的中心线为基准线对断面3
‑
3和断面4
‑
4建立能量方程如下：式中：Z3、Z4分别为断面3
‑
3、断面4
‑
4的单位重量液体的位置水头，p3/ρg、p4/ρg分别为断面3
‑
3、断面4
‑
4的单位重量液体的压强水头，v
32
/2g、v
42
/2g分别为断面3
‑
3、断面4
‑
4的单位重量液体的速度水头，h
f3
‑4为断面3
‑
3、断面4
‑
4之间的水头损失；由此可以计算得到断面3
‑
3与断面4
‑
4之间的沿程水头损失h
f3
‑4如下式所示：则突扩断面后的单位长度沿程水头损失h
’
f3
‑4如下式所示：式中x4‑
x3为断面4
‑
4与断面3
‑
3之间的直线距离。5.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过以下方法实现：在突扩断面前和突扩断面后均匀流处各取一个过流断面列写能量方程，其中突扩断面前的过流断面初始值为步骤S2中的断面2
‑
2，突扩断面后的过流断面为步骤S3中的初始值断面3
‑
3，以突扩管道的中心线为基准线对断面2
‑
2与断面3
‑
3列写能量方程如下：式中h
w2
‑3为断面2
‑
2与断面3
‑
3之间的总水头损失，包括断面2
‑
2至断面3
‑
3之间的全部沿程水头损失和突扩水流产生的局部水头损失；在管径不变的情况下，管道中的沿程水头损失只与水流经过的距离有关，由步骤S2和步骤S3中突扩断面前、突扩断面后的单位长度沿程水头损失可以得到断面2
‑
2至断面3
‑
3之间的总沿程水头损失为：h
f2
‑3＝h
′
f1
‑2×
L
断面2
‑
突扩断面
+h
′
f3
‑4×
L
突扩断面
‑
断面3
其中L
断面2
‑
突扩断面
为断面2
‑
2至突扩断面之间的长度，L
突扩断面
‑
断面3
为突扩断面至断面3
‑
3之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚莉，朱晓明，陈浩，李金波，顾信钦，张思金，石先罗，黄孝聪，斯静，任长江，吴建华，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：