T型PVC三通管局部水头损失试验研究与数值模拟

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T型三通管是输配水管网连接的最主要形式之一,管道连接处水流情况较为复杂,研究三通管的局部水头损失有助于正确的确定输水管网中水流局部能量损失。本文选取灌溉管网上较为常用的几种管径的三通管,通过实验确定不同边界条件下不同管径的三通的的局部水头损失,以及其影响因素,为优化灌溉管网布置和管道工程的计算提供准确的科学依据。经过理论分析和实验验证,并用数值模拟的方法将结果和实验结果对比,为为局部阻力特性的研究提供一种有效的办法。试验管段为PVC三通管输水管,管径分别采用外径50mm、75mm、90mm的PVC输水管,试验时用相同外径的三通管连接。竖直管道为主管,两个水平管道为支管,分别进行主支管同径和异径的试验。通过对试验结果进行分析,得到了管径相同的三通管道输水时局部水头损失系数变化规律:三通管局部水头损失受入口雷诺数的影响较大,在入口雷诺数在10000以下时,三种试验管径的局部水头损失都比较小;当雷诺数超过10000时,水头损失的增长基本和雷诺数呈二次函数的关系。管径越小的三通管在分流处水流动紊动更为强烈,从主管道支管的水流发生强烈的弯曲流,产生的漩涡也剧烈,因而产生较大的局部水头损失。三通管两支管的局部水头损失系数有所差别,但相差不大。水流由主管进入通过三通管分流至两水平支管,随着分流比的不同,两支管处水流改变而形成的弯曲流程度不一。在分流比为0.4~0.6附近变化时,两支管内流速相近,产生的漩涡相互影响较小,故局部水头损失变化相对较小;而在其他分流比条件下,两支管内的流速差异较大,流速较大的支管处产生的水流紊动以及漩涡强度较大,对另一支管处水流的扰动影响加大,故产生较大的局部水头损失。所以在用三通管供水分流时,应将分流比控制在0.5附近较好。支管管径与主管管径比的不同,对局部水头损失亦有影响。实验中,随着支管管径的增大,局部水头损失减小,而管径比越小,支管的流速就相对较大,同时流速断面面积发生改变,流速分布不均匀,导致局部水头损失愈大,故工程设计中中应当考虑管径比的影响,尽量避免支管管径比主管管径小。数值模拟的结果与实验结果基本吻合,局部水头损失系数的实验值与模拟值相对误差最小为3%,最大为36%。本文选取的紊流模型准确的描述了管内水流流速紊动与压力脉动情况,RNG k-ε紊流模型适合此类模拟,达到收敛稳定;通过模拟给出了110mm管径的三通管局部水头损失系数与入口雷诺数之间的关系曲线。在T型三通管中,局部阻力产生剧烈作用的位置一般处于主流和支流汇合并发生碰撞的位置,随着轴向距离的延长,其作用会逐渐减弱,直至消失。水流弯曲造成的剪切作用以及流体内的漩涡剧烈程度,压强分布的梯度大小都是影响局部水头损失重要因素。
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