CN105587959B - 一种控制低雷诺数u型弯管流动分离的变截面方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过改变截面面积来抑制低雷诺数U型弯管流动分离的变流态流动方案，涉及管路系统技术领域的被动流动控制技术。本发明的目的在于，提出一种适应性强、简单方便的抑制低雷诺数U型弯管分离流动变截面面积的方法，通过改变弯管中的流态和局部逆压梯度，提高流体的抗逆压梯度的能力来达到抑制低雷诺数U型弯管内流动分离的效果。所述低雷诺数U型弯管在上游段和弯曲段都有收缩，增加雷诺数，使流动从层流转变为湍流，并减小局部的逆压梯度，在下游直管段逐渐扩张恢复至之前的管径。本发明的有益效果在于：提出了一种有效抑制低雷诺数U型弯管内的流动分离的适应性强、成本低、易操作的控制手段，抑制了分离流动，降低了由于分离所产生的额外的阻力和损失。

Description

一种控制低雷诺数U型弯管流动分离的变截面方法
技术领域
本发明涉及低雷诺数U型弯管的流动控制，尤其涉及一种通过改变截面面积来抑制低雷诺数U型弯管流动分离的变流态控制方案，属于管路系统技术领域的被动流动控制技术。
背景技术
管路系统中，由于空间布置的限制，U型弯管被广泛的应用在流体输送中，对输送液压介质和传递能量起着重要的作用。比如，航空液压和燃油管路方面的故障占飞机元件故障的50～60％，高压高速工况加剧了液压能源管路系统的振动和噪声，其中管路中的流动分离是主要诱因之一。
在弯曲管路中，由于曲率的影响，使流动过程中沿着流向和径向会产生一定的压力梯度，对于低雷诺数流动的层流流动，抵抗逆压梯度的能力较弱，因此在流动过程中更容易发生流动分离。流动的分离，使流动状态急剧变化，一方面造成流动压力损失，还可能引起管路的振动和较大的噪声；一方面使流动均匀性变差，在内外侧流速差异较大，在横向涡的作用下，内侧高速流体向外侧移动从而导致流体中的污染物在外侧堆积，管内流动进一步恶化。因此有效改善弯管内的流动分离对管路系统的优化具有重要的作用。
目前，针对低雷诺数U型弯管流动分离的控制手段主要采用安装导流片或者导流板的方式。通过在弯曲段增加一定数量的不同几何结构的导流板，对流过弯曲段的流体进行分流，从而达到控制流动分离的目的。这种控制方法适应性较差，成本较高，而且不容易加工。
本发明基于造成U型弯管流动分离的流动机理，提出了一种通过改变管路截面面积的控制方法。一方面，通过改变弯曲段附近截面面积，改变流动雷诺数，从而改变管路中流动的流态，在进入弯曲段前发展为湍流，利用湍流抵抗逆压梯度能力强的特点来抑制流动分离。另一方面，在弯曲段的进一步收缩，减小局部逆压梯度，从而更有效抑制流动分离。该方法适应性强，简单方便，可实现性强。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种适应性强、简单方便的控制低雷诺数U型弯管分离流动的变截面面积方法，通过改变弯管中的流态和局部逆压梯度，来达到控制弯管内流动分离的效果。
本发明的技术方案如下：
一种低雷诺数U型弯管，其特征在于：
低雷诺数的U型管路进口为低雷诺数的层流流动，通过进行变截面的收缩和扩张，达到改变流态和局部逆压梯度的目的，从而抑制分离。
其中，低雷诺数U型管的中轴线不变，为恒定值，
根据体积流量Q公式：
根据雷诺数Re公式：
其中U为管流的平均速度,D为管路的截面直径，υ为管路内流体的运动粘度系数。
根据公式(1.1)和(1.2)可以得到以下关系式：
公式(1.3)给出了流量不变情况下，雷诺数和截面直径间的关系。
根据以上公式(1.3)，可以通过改变截面直径D，从而改变管内流动Re，达到改变流态，抑制流动分离的目的。
在上游直管段，距离弯曲段的进口截面一定长度的上游截面开始进行收缩，截面直径D逐渐减小，雷诺数Re逐渐增加，使流动从层流转变为湍流。
在弯曲段进行进一步收缩，截面直径D继续减小，一方面继续增加雷诺数Re，一方面减小局部逆压梯度。
在下游直管段，从弯曲段出口截面至下游某一截面，截面直径D逐渐扩张到原来直径的大小，使雷诺数逐渐恢复至进口雷诺数，逐渐成为层流，有效利用层流的摩擦损失小的特性。
所述收缩和扩张段都是平滑过渡。
本发明的有益效果在于：通过对低雷诺数U型管路在弯曲段进口前的上游直管段进行收缩，使流体在进入弯曲段前增大雷诺数，使流态从层流变成湍流，从而提高其抗逆压梯度的能力。弯曲段的进一步收缩，使流速继续增加，一方面增加抵抗逆压梯度的能力，另一方面减小局部逆压梯度，从而达到控制分离的目的。过了弯曲段，截面逐渐增大的扩张段到原来的直径大小，使流动逐渐恢复至原来的雷诺数，逐渐成为层流，有效利用层流的摩擦损失小的特性。
附图说明
图1本发明的低雷诺数U型弯管(取一半)的几何示意图。
图2是本发明低雷诺数U型弯管的几何参数示意图。
图3是现有等截面低雷诺数U型弯管流动的流线示意图。
图4为本发明的变截面低雷诺数U型弯管流动的流线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图2所示,低雷诺数U型弯管进口(7)、出口(8)直径为D＝30mm，弯曲半径R＝20mm，上游直管段总长度为150mm，下游直管段总长度为600mm。截面(1)为弯曲段进口截面，截面(2)为弯曲段出口截面，截面(3)位于弯曲段(7)中轴线圆弧中点处。低雷诺数U型管路在上游直管段和弯曲段进行收缩，在下游直管段进行扩张。截面(4)与截面(1)的距离为1倍进口直径的长度，其半径同进口截面(7)和出口截面(8)半径相同。截面(1)半径为13mm，截面(2)和截面(3)半径分别为5mm和7.5mm。截面(5)到截面(2)的距离为80mm，半径为10mm。截面(6)距离截面(5)的距离为150mm，同出截面(8)半径相同。
为了验证本发明的效果，本发明人对改型前、后的低雷诺数U型管路进行了数值模拟。进口的流速为1m/s。各截面参数和结果如下。
低雷诺数U型管路截面参数如下表所示：
图3为现有等截面低雷诺数U型管路流动流线示意图。(9)区为U型管路分离区。从图中可以看出，现有等截面低雷诺数U型管路在弯曲段出口截面的内侧壁面附近处会出现分离区。这是由于曲率的影响，形成了局部的逆压梯度，从而产生了分离。该分离产生了较大的压差阻力和损失。
图4为本发明的变截面低雷诺数U型弯管流动的流线示意图。可以明显的看到有效地抑制了弯曲段的分离区。这是由于上游段和弯曲段的收缩，使流动由层流转变为湍流，利用湍流抵抗逆压梯度能力强的特点来抑制流动分离，并且弯曲段的进一步收缩也减小了局部逆压梯度，从而更加有效地抑制了流动分离。
可见，本发明的抑制低雷诺数U型管路流动分离的变截面变流态的设计方案，通过改变上游、弯曲段以及下游的横截面积从而改变管路中流态和局部逆压梯度，有效地抑制了低雷诺数U型管路中的流动分离，同时降低了由于分离所产生的额外的阻力和损失。

Claims (1)

1.一种低雷诺数U型弯管，其特征在于：
低雷诺数的U型管路进口为低雷诺数的层流流动，通过进行变截面的收缩和扩张，达到改变流态和局部逆压梯度的目的，从而抑制分离，
其中，低雷诺数U型管的中轴线不变，为恒定值；
根据体积流量Q公式：
根据雷诺数Re公式：
其中U为管流的平均速度,D为管路的截面直径，υ为管路内流体的运动粘度系数；
根据公式(1.1)和(1.2)可以得到以下关系式：
公式(1.3)给出了流量不变情况下，雷诺数和截面直径间的关系；
根据以上公式(1.3)，可以通过改变截面直径D，从而改变管内流动Re，达到改变流态，抑制流动分离的目的；
在上游直管段，距离弯曲段的进口截面一定长度的上游截面开始进行收缩，截面直径D逐渐减小，雷诺数Re逐渐增加，使流动从层流转变为湍流；
在弯曲段进行进一步收缩，截面直径D继续减小，一方面继续增加雷诺数Re，一方面减小局部逆压梯度；
在下游直管段，从弯曲段出口截面至下游某一截面，截面直径D逐渐扩张到原来直径的大小，使雷诺数逐渐恢复至进口雷诺数，逐渐成为层流，有效利用层流的摩擦损失小的特性；
所述收缩和扩张段都是平滑过渡。
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