一种基于V型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的制作方法

一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置
技术领域
1.本发明涉及液体输配管道技术领域，具体为一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置。


背景技术：

2.管道输送液体过程中，由于实际流体都是具有粘性的，不可避免地会产生阻力损失。阻力损失一方面来源于管道壁面粗糙度引起的沿程阻力损失，另一方面则是液体流经弯头或者其它装置的局部损失，而且局部阻力损失占总阻力损失的很大一部分。因此，迫切需要采取科学的减阻措施优化管道局部装置的形式，实现低阻力节能降耗的管道输配系统。
3.目前用于流体输运方面常见的管道局部构件减阻方法有：导流叶片减阻、整流器减阻、管道弧面形式减阻、添加高分子减阻剂减阻等。
4.在上述的减阻方式中，整流器减阻是通过消除局部构件下游仍未消除的涡旋，达到减阻的目的；管道弧面形式减阻，包括改变曲率半径、弧度角、截面积等，它是通过降低管道局部构件的变形程度，削弱离心力、压强梯度强度，从而降低涡旋强度，达到一定的减阻效果；添加高分子减阻剂减阻则是通过改变管道的表面特性而减阻的。导流叶片减阻则是最为常见的弯头构件减阻方式，其原理是通过固体壁面对流体涡旋进行分割，将大涡旋分解为小涡旋，从而降低局部构件中的流体阻力。但现有的导流叶片均为表面光滑的常规导流叶片，仅通过单纯的分割涡旋降低局部阻力，并且提高导流叶片表面的光滑度方面是有限度的，无法达到最优的减阻效果。此外，现有的导流叶片减阻大都应用于通风空调管道，尚未在液体输配管道领域有所涉及。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置，结构简单容易实现，v型沟槽导流栅片可对流体涡旋进行分割，减小部分涡流和二次流，并对装置内的紊乱流动进行整流，上游缓冲段和下游缓冲段内的流速方向得到有效调整，降低了弯管段的压力损失，而且减小了v型沟槽壁面的剪切应力，降低了v型沟槽壁面的摩擦阻力损失。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置，包括弯管段，弯管段内固定设置有降低流体阻力的v型沟槽导流栅片，v型沟槽导流栅片呈弧形，弯管段与v型沟槽导流栅片的弧度相同，v型沟槽导流栅片两侧均设置有多个相互平行的v型沟槽，v型沟槽的延伸方向与流体的流动方向平行。
7.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述v型沟槽导流栅片两侧的v型沟槽交错分布。
8.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述弯管段两端分别固定连接有上游缓冲段和下游缓冲段。
9.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述弯管段的弧度为π/2。
10.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述v型沟槽的无量纲间距s+≤30，无量纲高度h+≤25。
11.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述v型沟槽导流栅片位于所述弯管段中l/d＝0.5处，其中，l为v型沟槽导流栅片距弯管段外壁的距离，d为弯管段的管道直径。
12.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述v型沟槽导流栅片的粗糙度为0.04mm。
13.作为上述一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置的进一步优化：所述上游缓冲段和所述下游缓冲段的长度均为其水力直径的30倍。
14.有益效果是：本发明提供了一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置，结构简单容易实现，操作方便且成本较低易控制，又便于维护。一方面，v型沟槽导流栅片可对流体涡旋进行分割，减小部分涡流和二次流，并对弯管段的紊乱流动进行整流，上游缓冲段和下游缓冲段内流体的流动方向得到有效调整，降低了弯管段的压力损失；另一方面，v型沟槽内部可以形成相对稳定、独立的涡旋，涡旋内流体的运动速度很小，相当于增加了粘性底层的厚度，减小了v型沟槽表面的平均速度梯度，从而减小了v型沟槽壁面的剪切应力，降低了v型沟槽壁面的摩擦阻力损失。
附图说明
15.图1是弯头装置的结构示意图；图2是弯管段的结构示意图；图3是图2的截面示意图；图4是v型沟槽导流栅片的截面示意图；图5是本发明数值模拟的弯头本体混合网格划分示意图；图6是本发明数值模拟的v型沟槽导流栅片的非结构网格划分示意图。
16.附图说明：1、弯管段，2、上游缓冲段，3、v型沟槽导流栅片，4、下游缓冲段。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.鉴于湍流流动的复杂性和不稳定性，利用沟槽面进行减阻的机理尚未统一。总的来说，对沟槽减阻机理的研究形成了以下三种主要的观点。
19.第一种是“第二涡群论”，这种观点认为湍流猝发过程中由于低速流带上升至离壁面一定高度后急剧上升并同时向下游运动，产生速度振荡(即涡旋)，最终型成“第二涡群”。该涡群的发展可以减弱流向涡对的强度，从而抑制了它集结低速条带并使其上升的能力，也就是抑制了湍流的猝发，削弱了湍流强度，使得近壁面流动更加稳定缓和。
20.第二种是“突出高度论”。“突出高度”指沟槽尖端到沟槽表面对应的等价光滑表面的距离。“突出高度论”认为沟槽的存在使得沟槽内部流动缓慢。相当于增加了粘性底层的厚度，减小了壁面上的平均速度梯度，从而减小了壁面的摩擦阻力。
21.第三种理论是“空气轴承论”，该理论认为流动的小涡由于自身的涡能滞留在合适的凹槽内继续转动(或不转动)，就像一支微型的空气轴承，根据滚动摩擦远小于滑动摩擦的原理，获得减阻效果。
22.本发明采用第二种观点，设计一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置。请参阅图1至图4，一种基于v型沟槽导流栅片的减阻弯头装置，包括弯管段1，弯管段1内固定设置有降低流体阻力的v型沟槽导流栅片3，v型沟槽导流栅片3呈弧形，弯管段1与v型沟槽导流栅片3的弧度相同，v型沟槽导流栅片3两侧均设置有多个相互平行的v型沟槽，v型沟槽的延伸方向与流体的流动方向平行。所述弯管段1的弧度为π/2。
23.图1至图4中，各个符号的定义为：r为弯管段1的曲率半径，d为弯管段1的管道直径，l为v型沟槽导流栅片3距弯管段1外壁的距离，θ为v型沟槽导流栅片3份的中心角度，s为相邻两个v型沟槽的间距，h为v型沟槽高度。
24.所述v型沟槽导流栅片3两侧的v型沟槽交错分布。
25.v型沟槽导流栅片3上，一侧的一个v型沟槽位于另一侧的相邻两个v型沟槽之间，v型沟槽导流栅片3的截面如图4所示，呈折线状。当流体经过时，v型沟槽导流栅片3能对流体涡旋进行均匀分割，减小甚至消除部分涡流和二次流，并对弯管段1内的紊乱流动进行整流，降低了弯管段1内的压力损失，而且，v型沟槽内部可以形成相对稳定、独立的涡旋，涡旋内流体的运动速度很小，相当于增加了粘性底层的厚度，减小了v型沟槽表面的平均速度梯度，从而减小了v型沟槽壁面的剪切应力，降低了v型沟槽壁面的摩擦阻力损失。
26.所述弯管段1两端分别固定连接有上游缓冲段2和下游缓冲段4。
27.上游缓冲段2和下游缓冲段4均与弯管段1平滑连接，上游缓冲段2、下游缓冲段4和弯管段1的内外壁均为光滑表面，上游缓冲段2与弯管段1的入口端连接，下游缓冲段4与弯管段1的出口端连接。v型沟槽导流栅片3对弯管段1内的紊乱流动进行整流的同时，也对上游缓冲段2和下游缓冲段4内的流速方向进行调整。
28.实际使用时：流体先在上游缓冲段2内流动，随后流入弯管段1，再通过下游缓冲段4，最后流出弯头装置。在这个过程中，流体流经弯管段1时，弯管段1内的流场会呈现出十分复杂的流动特性。例如：流速范围变化较大；在管壁附近形成分离区，管道横截面上产生二次流动；流场分布不均匀。这些现象不仅造成流体能量的耗散，而且形成的局部障碍区域也使流动系统的阻力增大，导致能量损失。
29.通过在弯管段1内加装v型沟槽导流栅片3，能对弯管段1内的紊乱流动进行整流，同时上游缓冲段2和下游缓冲段4内流体的流动方向得到有效调整。
30.v型沟槽减阻所涉及的计算公式及相关参数如下。
31.局部阻力系数：其中，ζ是弯管段1的局部阻力系数，为无量纲量；是局部阻力损失；p
i-p0是全压阻力损失；pf是沿程阻力损失，相当于具有相同弯管段1长度的直管的压力损失；pv是局部装置中的平均速度下的动压；v为流体速度；ρ为流体密度。
32.减阻率：其中，η是减阻率；ζ
et
表示不带v型沟槽导流栅片3的传统弯管段1的局部阻力系数；ζ
en
表示带有v型沟槽导流栅片3的弯管段1的局部阻力系数。
33.v型沟槽无量纲间距：s
+
＝s
×uτ
/ν。
34.v型沟槽无量纲高度：h
+
＝h
×uτ
/v。
35.式中，v为运动粘滞系数；u
τ
为壁面摩擦速度，u
τ
＝(τw/ρ)
1/2
，其中，τw为壁面剪切应力。
36.所述v型沟槽的无量纲间距s
+
≤30，无量纲高度h
+
≤25。
37.本发明基于湍流黏性耗散理论下分析减阻的原理，采用cfd数值模拟方法，研究液体输配管道90
°
传统弯头装置加装v型沟槽导流栅片后的减阻效果。弯管段1产生的涡旋对上游流场的影响长度为5～7倍管径，对下游流场的影响长度为30～50倍管径。本发明采用icem19.2进行网格划分，用fluent19.0进行数值计算，用realizable k-ε湍流模型进行模拟，流体为常温常压下的液态水，弯管段1外壁面为无滑移壁面，入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，v型沟槽导流栅片的粗糙度设置为0.04mm，用流体的初始流速对入口处进行初始化，压力速度耦合采用simple算法，求解器中动量、湍流动能、湍流黏性耗散率均采用二阶迎风格式进行离散，迭代计算约3000步达到收敛。得到的局部阻力系数及减阻率计算表见下表，表中第一行的数据是不带v型沟槽导流栅片2的弯头装置，第二行的数据是带有v型沟槽导流栅片3的弯头装置。
38.v型沟槽导流栅片3相对于弯管段1的位置为：所述v型沟槽导流栅片3位于所述弯管段1中l/d＝0.5处。
39.选用的上游缓冲段2和下游缓冲段4的长度为：所述上游缓冲段2和所述下游缓冲段4的长度均为其水力直径的30倍。
40.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。