FLUENT标准大小头局部阻力损失计算

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1 前言

    在管路系统的水力设计中，局部阻力损失通常相当重要，特别是在直管比较短的时候，局部阻力损失几乎占据全部损失。工程上计算局部阻力损失，通常要选择局部阻力系数，然后乘以基准截面的动压力即获得阻力损失值，因此这个局部阻力系数就很重要了。不同标准，不同教材，不同资料在局部阻力损失的选择上有不少差异。笔者认为骨灰级的前苏联编写的《流体阻力手册》有一定参考价值，里面详细介绍了局部阻力损失产生的原因和计算方法。本案例将针对标准大小头的局部阻力做一个简单的计算。

2 模型与网格

    从solidworks的零件库中调取DN25×DN15的标准大小头导入ICEM。该大小头的大小端面积分别为0.000573264m²和0.000168239m²。

    删除外部固体壁面，只留下流体域，同时为了避免计算出现回流（渐扩）以及获得充分发展的上游边界，将大小头两端各自延伸了0.5m，也可以更长。划分六面体网格，由于本案例将采用SST-ω湍流模型，Y+最好控制在1左右，对壁面进行了细化，节点数约为45.2万。

3求解设置

    假设管内介质为常温常压空气，密度1.225kg/m³，动力粘度1.7894e-05Pa·s，流量为128L/min。

    入口采用速度边界，出口采用压力边界，表压为0Pa。当空气流向为渐扩和渐缩时，入口的速度分别为12.68033793m/s和3.721382921m/s。

    其他求解设置为默认，稳态计算。

4 计算结果

4.1 渐扩型

    管道轴线流动方向的静压分布如下图，可以看出上游DN15的管道静压下降很快，下游DN25的较为平缓，这是流速对压力损失的影响。另外，可以清楚地看到空气经过大小头后有个明显的静压恢复过程，其实这时候的大小头就是个扩压管，将动压力转换为静压力。

    上述的静压力恢复过程也就在流动方向上产生了逆压梯度，当空气的动能无法克服这个压力梯度时，速度降为零，发生边界层脱离，产生回流区（如下图），这是产生局部损失的核心原因。

    我们看一下大小头前后端面的全压损失，约为28Pa，以下游速度计算的局部阻力系数ζ为3.3。

4.2 渐缩型

    管道轴线流动方向的静压分布如下图，可以看到静压力在大小头位置发生了永久性的损失而无恢复。

    渐缩型管道下游通常不会发生边界层脱落，如下图大小头下游没有回流出现。

    我们看一下大小头前后端面的全压损失，约为9.8Pa，以下游速度计算的局部阻力系数ζ为0.0995。

    读者可以查阅流体力学的书籍，按突扩和突缩管计算的局部阻力系数分别为5.795和0.353。