第54卷第6期2018年6月
甘肃水利水电技术
GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY
Vol.54,No.6
Jun.,2018
DOI ：10.19645/j.issn2095-0144.2018.06.008
魏周杨
(兰州市水电勘测设计院，甘肃兰州730000)
摘要：为了探讨弯管的阻力损失规律及流场特性，基于标准湍流模型及其S I M P L E解法，对"#75、弯曲半径fi= 200 m m的90。弯管进行了数值计算，结果表明：弯管的阻力系数随雷诺数的增大先减小后趋于稳定，在$%>1.2x105后 进入阻力平方区；通过弯管的压力降幅很大，可达74.1%，造成很大的水头 损失；水流在转弯断面的压力分布和流速分布很不均匀，在外管壁处压力增大、流速降低，在内管壁处压力降低、流速增大，经过转弯后压力和流速梯度逐渐减小，分布逐渐均匀。
关键词：弯管；阻力系数；数值模拟
中图分类号:T V134.2 文献标志码:A文章编号=2095-0144(2018)06-0034-03
1前言
弯管广泛应用于各种流体输送系统中，通过弯 管可改变水流运动方向。当水流经过弯管时其流场 非常复杂，在转弯处由于离心力的作用使水流脱离 边界，水流质点发生剧烈的掺混、碰撞，往往伴随着 旋涡、二次流的产生，因此弯管的研究得到许多学者 的重视。樊洪明采用大涡模拟的方法对三维空间 的弯管进行了数值计算。丁钰[2y对90。弯管内湍流 流动进行了数值模拟，表明流场的计算结果与实验 数据吻合的较好。王金娥[3]等对90。弯管内的流体进 行了仿真计算，并对结果进行了分析。潘忠兴[4]等对 90。弯管内湍流流动进行了数值模拟实验，表明弯 管内流体旋转产生的离心力导致压力分布的变化。由于弯管流场的复杂性，其流场的分布及变化规律 仍需研究，作者对K、弯曲半径$=200 mm的 90；弯管进行数值模拟研究，探讨阻力系数及流场 特性的变化，为管路的优化设计提供参考。
2数值模型的建立
2.1数值模型控制方程
对于不可压缩的流体运动，其运动规律可由连 续性方程和Navier-Stokes方程等构成，在直角坐标 坐标系中的表达式如下。
连续性方程：
du_+3^+3+=0⑴
3* 3,
Navier-Stokes方程：
!^u^+V-(p u.)=-t+#!2u+p/((2)
3-dx
•(PvU)=-^/+$!1v+pf*(3) 3-3*
()+!•(pwU)=-^/+$!1w+pfz(4)
3-3,
式中：U为流体流速(m/s);u、《、+为流速在x、*、，三 个坐标轴的分量（m/s);；$为动力黏度系数(Pas);/x、/*、/2为质量力的分量，当质量力只有重力时，/x=/*，/2=-1。在湍流模型中，本文选用标准！-%湍流模型，其湍动能及耗散率输运方程为[5]:
他+^^L丄[B$+也)i]+3!+4「P%
3-dxi dxi&k3(i
- 67+8!(5)
dips)d(psu{)3
+ = -
3-3x23(j
(G!+：3s；6)_：2£p+8%
!
K-
L %
(6)式中:$-为湍流黏性系数;；!、；5为分别为平均速度 梯度和浮力作用引起的紊流湍动能;6<；为脉动扩张 引起的动能耗散率;：1m、：2n、：3o、&!、&%为为常数; 8!、8%为用户定义的源项。
2.2几何模型与网格划分
弯管几何模型及网格划分如图1所示。弯管型 号为"=75，内径为67.8 mm，弯曲半径$=200 mm。为了减小转弯处对上下游水流的影响，取压孔分别
收稿日期=2018-05-17
作者简介：魏周杨(1982-)，男，甘肃皋兰人，工程师，学士，主要从事水利工程设计，E-mail:184733716@qq,
第6期魏周杨$弯管阻力损失及流场特性数值模拟第54卷
设置在上游5 !和下游10 !的管径处。几何模型 体结构网格，共划分网格数34.9万。在弯管上截取建好后进行计算区域的网格划分，转弯处采用非结 D i、D2&D&三个断面（图1)，分析不同截面运动要构四面体网格，并进行网格加密，其余部位采用六面 素的变化。
2.3离散方法及边界条件
采用有限体积法对上述方程进行离散，流场的
计算采用S IM P L E算法，扩散项采用中心差分格式
离散，对流项采用二阶迎风格式，近壁面的处理采用
标准壁面函数法。弯管进口边界条件为速度进口，
脱标机
分布设置不同的进口速度，出口设置为自由出流。
3结果与分析
3.1阻力系数变化
自攻丝在弯管的上游5 !处和下游10 !管径处分别
设置测压孔1和2，压强为"2和"2，则"2和"2之间
的压力降3"为：
4"="「"+ (7)
弯管阻力系数的计算公式为：
9=2^p_⑶
式中：<"为弯管压力降（P a);!为弯管阻力系数;$为断面平均流速(>/@)。丝光机
图2为弯管阻力系数随雷诺数的变化关系，由图 可知，阻力系数！随雷诺数的增大先减小后基本趋于 稳定，在雷诺数％&<0.4x105时下降很快，在％&D 1.2x105后基本趋于稳定，说明％&>1.2x105后对阻 力系数的变化没有影响。根据相关研究表明'形变 件由于转弯处水流摩擦碰撞剧烈，使水流在小于相 同直管道对应的转捩雷诺数时提前进人阻力平方 区，从本次模拟可以看出，在水流雷诺数％& >1.2 M 1〇5之后水流进入阻力平方区。
雷诺数％e/x105
图2弯管阻力系数随雷诺数的变化
3.2弯管内部压力分布
图3为进口速度2 >/@时弯管中心剖面的压力
(Pa)
800
700
600
500
400
300
200
淀粉酶抑制剂100
-100
-200
1-300 -400 -500 -600
图3弯管中心剖面压力云图
2018年第6期甘肃水利水电技术第54卷
分布图，计算时取弯管出口的压强作为基准点。可 以看出，从弯管的进口到出口，压力沿流动方向减 小，弯管人口断面平均压力为449.4 Pa，出口断面平 均压力为116.2 Pa，压力降幅达74.1%，造成很大的 水头损失。在转弯处压强的变化剧烈，在外管壁处 最大压强达到800 Pa，内管壁处局部出现负压，最 大负压值可达-600 Pa，可见弯管转弯处断面压力变化较为复杂。
为了进一步观察断面压力的变化，分别给出了 Di、D)和D3截面（图1)的压力云图（图4)。可以看 出，不同截面的压力分布变化均为外管壁处较大，内管壁处较小，这是由于水流转弯时，由于离心力的作 用使外管壁处主流脱离边界，内管壁处由于产生旋 涡回流导致局部负压。
(a)D'截面压力云图(b)D)截面压力云图(c)D3截面压力云图
图4弯管截面压力云图
3.3弯管内部流速分布
图5为进口速度2 m/S时弯管中心剖面的速度
云图，可以看出，弯管进口和出口断面的流速变化比 较稳定，在转弯处流速梯度增大，外管壁处流速减 小，最小值为1.2 m/S；内管壁处流速增加，最大流速 为2.4 m/S。这是由于水流经过转弯处时发生回流，加速了内管壁处水流的运动，使流速增大。从图6 可以看出，D1、D)和D/截面的流速分布不均勻，D)截面为转弯处截面，其流速梯度变化最大，到D/断 面时流速梯度变化有所减小，流速分布逐渐趋向均 匀。
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
黑发液
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
图5弯管中心剖面速度云图
(m/s)
□ 2.4
■ 2.2
'|2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
(m/s)
(a)D1截面(b)D2截面
图&弯管截面速度云图(c)D/截面
(m/s)
4结论 结论。
通过数值模拟的方法，对！"75、弯曲半径 （1)弯管阻力系数随雷诺数的增大先减小后趋#=200 mm的90。弯管进行了数值模拟，得到以下 于稳定，在雷诺数>1.2x105(下转第45页）
第6期
第54卷
表 2
滑坡稳定性计算结果
计算剖面计算工况稳定性系数
稳定状态1-1剖面
自重 1.071基本稳定自重+暴雨0.978不稳定自重3地震
0.952
不稳定2-27剖面自重基本稳定
自重+暴雨0.982不稳定自重+地震
0.960不稳定3-38剖面自重 1.13基本稳定自重 + 暴雨 1.04欠稳定自重 + 地震
1.01
欠稳定
通过计算分析，该滑坡在自重工况下处于基本 稳定状态，在暴雨和地震工况下处于不稳定一欠稳 定状态，结论与定性分析基本一致，与调查的滑坡变 形主要发生于降雨、地震时点一致。5
治理方案设计
由于滑坡前缘较平缓，距离拟建房屋距离较远， 施工条件较开阔，边坡高度较大，滑坡剪出口位于坡 体中部，通过方案比选，治理措施在前缘布设桩板 墙，拟定粧截面1.0 m x l .5 m ，粧间距4.0 m ，粧长 12.0 m ，悬臂段7.0 m ，锚固段5.0 m ，共计布设宽度 102 m ，布设抗滑桩34根，桩后布设挡土板，挡土板 长3.6 m ，布设高度7.0 m ，在桩板墙后回填土方反 压滑坡，既能处理工程弃土，又有利于滑坡治理，效 果较好，考虑到降雨时滑坡形成主要引发因素，而且 敏感性分析也证明降雨对滑坡稳定性影响大，因此(上接第36页）
后趋于稳定，表明水流进人阻力平方区。
(2)
通过弯管时水流压力降幅很大，可达74.1%， 表明经过弯管时造成很大的水头损失；经过弯管时 断面压力分布很不均匀，外管壁处压强增大，内管壁 处压强减小，局部出现负压。
(3)
经过弯管时水流速度分布不均匀，在转弯处
外管壁流速减小，内管壁处流速增大，经过转弯处后 断面流速梯度逐渐减小。参考文献：
[1 ]樊洪明，何钟怡，王小华，等.弯曲管段内流动的大涡模拟
在滑坡外围布设截水渠。
桩板墙结构设计采用主动土压力与滑坡剩余下 滑力二者的大值控制设计，治理工程设计过程中考 虑了桩板墙后回填反压的效果，滑坡剩余下滑力大 幅度下降，根据反压后的剩余下滑力优化了抗滑桩 结构设计，取得了较好的经济效果。6
结论(1) 分析的某滑坡为降雨诱发的牵引式滑坡，前 缘开挖削弱支撑和降雨是滑坡形成的主要原因。(2)
针对该滑坡厚度不大，剪出口较高的特点，
在滑坡前缘采用桩板墙进行支挡，桩后回填反压取 得了较好的效果。
(3)
对场地平整弃土方量较大，滑坡剪出口较
高的滑坡，在滑坡前缘设置桩板墙，将弃土回填于 桩板墙后就地消化了弃土，而且回填反压大幅度 降低了滑坡剩余下滑力，优化了支挡结构，经济效 果明显。参考文献：
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