锅炉主蒸汽管道弯管内流体流动特性数值分析

引用格式：但植华, 吴森林, 管英柱, 等. 基于CFD 的弯管数值计算及水力特性分析[J]. 中国测试，2023, 49(3): 142-151. DAN Zhihua, WU Senlin, GUAN Yingzhu, et al. Numerical calculation and hydraulic characteristics analysis of elbow based on CFD[J].China Measurement & Test, 2023, 49(3): 142-151. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2021100118基于CFD 的弯管数值计算及水力特性分析但植华， 吴森林， 管英柱， 纪国法， 张金发， 陈 菊(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)摘　要: 为探究弯管局部水头损失影响因素，揭示弯管内部流场、二次流分布情况，用六面体结构化网格对弯管进行O 型剖分，采用RNG k-ε模型对不同雷诺数、不同相对弯曲半径、不同弯曲角度、不同管径的三维弯管进行数值模拟研究，计算结果与其他学者的实验结果相吻合。

结果表明，局部阻力损失系数ζ随着雷诺数的增大而减小，当雷诺数较小时，随着雷诺数增大，局部阻力损失系数降幅较大，当雷诺数较大时，随着雷诺数的增大，开始进入阻力平方区，局部阻力损失系数趋于稳定；局部阻力系数ζ随着相对弯曲半径跟直径的增大呈多项式减小，随着弯曲角度呈线性增加；当相对弯曲半径增加到一定范围时，在弯曲角度大于π/4的情况下，角度的变化对二次流的影响不再明显；对模拟数据结果采用SPSS 进行多元非线性回归分析，给出弯管局部阻力系数准则关系式；在管道设计或工程应用中，条件允许的情况下，尽量采用相对弯曲半径、直径较大，弯曲角度较小的管道，以降低能量损耗，同时，在弯头凹侧进行相关保护措施，防止压力过大造成管壁破坏，以期提高弯管的使用寿命。

第５２卷第３期２０１０年６月汽轮机技术ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶ０１．５２Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０ｌＯ汽轮机内湿蒸汽流动特性的数值模拟肖玉广１，徐惠坚２（１哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨１５００４６；２哈尔滨商业大学，哈尔滨１５００２８）摘要：湿度对蒸汽轮机效率的影响及其对叶片的浸蚀作用极其复杂。

为了研究蒸汽凝结对流动的影响，采用商用软件ＣＦＸ一５数值模拟了某大功率凝汽式汽轮机末级的定常流动。

虽然定常计算所采用的混合平面法不能精确预测导叶和动叶之间的相对运动而产生的诸如湍流脉动和尾迹涡流等不稳定流动对凝结过程和水滴的生长过程的影响，但是对这一过程的近似模拟是很必要的。

关键词：汽轮机；湿蒸汽：流动特性；数值模拟分类号：ＴＫ２６２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５８８４（２０１０）０３－０１９９－０３ＴｈｅＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＷｅｔＳｔｅａｍＦ１０ＷＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＴｕｒｂｉｎｅＸＩＡ０Ｙｕ－ｇｕａｎ９１，ＸＵＨｕｉ－ｊｉａｎ２（１ＨａｒｂｉｎＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４６，Ｃｈｉｎａ；２ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ．Ｈａｒｂｉｎ１５００２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｗｅｔｎｅｓｓｏｎｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｂｌａｄｅｗｅｒｅｖｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘ．Ｆｏｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｅａｍｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｌｏｗ，ｔｈｅｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｏｎｌａｒｇｅｐｏｗｅｒｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｔｕｒｂｉｎｅｌａｓｔｓｔａｇｅＷａｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｓｏｆｔｗａｒｅＣＦＸ一５．Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｍｉｘｉｎｇｐｌａｎｅａｐｐｒｏａｃｈｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔｅａｄｙｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｎｏｔａｃｃｕｒａｔｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｗａｋｅｅｄｄｙｔｈａｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｕｉｄｅｖａｎｅａｎｄｔｈｅｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｏｎｔｈｅｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒｄｒｏｐｇｒｏｗｔｈｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｕｔｉｔＷａｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｅｐｒｏｃｅｓｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｎｅ；ｗｅｔｓｔｅａｍ；ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉ加１计算条件静叶进口总压为３１１７１Ｐａ，进口总温为３４３．４５Ｋ，进口气流角为轴向进气，进Ｉ＝１湿蒸汽的干度为０．９９（所谓干度，是指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数）；此透平末级湿蒸汽流动为跨音速流动，动叶出口给出背压为５８６０Ｐａ，动叶转速为３０００ｒ／ｒａｉｎ。

600MW超临界W型火焰锅炉水冷壁管内工质流动
特性研究中期报告
此项目是关于600MW超临界W型火焰锅炉水冷壁管内工质流动特性的研究。

在中期报告中，我们已经完成了以下几个方面的工作：
1. 设计和建立了实验室装置：我们设计了一个实验室装置，用来模拟水冷壁管内的流动情况。

该装置包括水泵、加热器、冷却器和流量计等。

装置能够实现不同的水流量、温度和压力条件，以满足不同的实验需求。

2. 制备了实验样品：我们制备了多个不同材质和不同尺寸的实验样品，以模拟不同的水冷壁管内情况。

样品包括碳钢、不锈钢和合金材料等。

3. 建立了数值模型：我们利用计算流体力学（CFD）软件，建立了数值模型，以模拟水冷壁管内的流动情况。

我们考虑了多个因素，如水流量、温度、压力和管道尺寸等。

数值模拟结果可以提供对实验结果的支持和验证。

4. 进行了实验测量：我们进行了多组实验，以测量不同情况下的水冷壁管内流动情况。

我们测量了水流量、温度、压力和流速等参数，并将结果用于与数值模拟结果进行比较和分析。

在进行这些工作的过程中，我们遇到了一些问题，例如实验时水泵的噪音和震动、实验样品的制备难度等。

我们采取了一些措施来解决这些问题，例如使用吸振器来减少噪音和震动、优化样品制备过程等。

目前，我们已经完成了中期报告涉及的工作，并取得了一些初步的实验和模拟结果。

接下来，我们将继续进行实验和模拟，以进一步验证和深入探究水冷壁管内的流动特性。

测 量 点 流 量 Ⅰ P外静 P内静 P侧静 P外静 流 量 Ⅱ P内静 P侧静
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2 3 4 5 6 7 8 9 10



实验分析
压力系数Cp与阻力系数K的含义有何不同？ 由结果分析外壁上的阻力系数与内壁上的阻力系数之差异？ 比较CP计及CP测，并分析产生其差别的原因。

试验段示意图 图上标示试验段的尺寸和测压孔的位置，沿外壁及内 壁各有时将风量调到一定值并保持不变，用弯型毕托管测入 口处来流动压力，用多管压力计依次测定弯管上各点的静 压力。改变风量一次，重复上述步骤。

实验数据记录
大气温度t= 空气密度ρ = 来流动压Pω 动Ⅰ= 来流动压Pω 动Ⅱ= 实验数据记录表 （单位mmH2O）


实验目的
实验六 流体通过弯管时特性
了解流体通过横截面为矩型的90°圆弯管流动时的压力损失 及压力系数的变化 ； 了解沿弯管壁的压力分布及出口断面上的速度分布特性 。


实验原理
对于不可压缩的理想流体，在忽略其位能的变化时，应用伯 努力方程，可得下游、上游某点静压力差为：
P静 P静
1 2 1 2 v v 2 2 P静 P静 v2 Cp （ 1 2 ） 这时，压力系数为： 1 2 v v 2

对弯管在其出口处，压力沿横截面的分布又重新趋于均匀， 但其值要比入口处小，这表明流体流过弯管后，由于附面层 脱离及摩擦的影响，损失了一定的压力，这也可表示成无因 次，即：

P入口静 P出口静 P K 1 2 1 2 v v 2 2 当流体以均匀速度vω流入一矩形截面的90°圆弯管时，断 面上速度分布就不均匀（以管子的曲率中心、半径为r上的 流速 v＝C / r ），沿管壁的压力分布也就因之不均匀 ，在 忽略流动的附面层脱离和二次旋流的影响，运用连续方程 可求得常数C值： br2 vdr