[发明专利]新型90°变曲率弯管

说明书

技术领域

本发明涉及一种管道转弯连接用的弯管，尤其是能改善弯管内的流动特性，减少弯管的阻力损失，改善弯管出口流态的弯管的结构，属于流体工程技术领域。

背景技术

弯管广泛地存在于工业、农业、市政等设备上，如水力机械、流体机械、油气输运和给排水的管路系统等。通常的弯管均为等曲率的圆弧弯管，其内部的二次流强度较大，导致阻力损失增加。二次流是指在一定主流速度、一定几何边界条件下，粘性流体做曲线运动时所产生的一种有规律的伴随运动。流体以一定的流速流经管道拐弯处，受到管道弯曲的限制就会改变流动方向，在弯管的壁面附近形成分离区，管道横截面上产生二次流动，这样的二次流不仅会造成流体能量的损失，而且形成的局部阻碍区域也使流动系统的阻力增大。弯管内的二次流主要是指迪恩涡，即不可压缩流体在弯管内流动时，因离心力的作用而形成一对反向对称涡旋。

现有90°弯管主要为等曲率半径的弯管，即弯管的中心弧线为四分之一圆弧，均存在较强的迪恩涡，在现有90°弯管中增加导流板仅能改善弯管的出口断面压力和流速分布，但会增加其阻力损失。针对目前这些弯管存在的共同问题，设计一种新型90°过流弯管其意义及推广应用价值就显得非常大，不仅能改善弯管内的流动特性，而且可减少弯管的阻力损失，改善弯管出口的流速分布。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的不足，提供一种新型90°变曲率过流弯管，能改善弯管内的流动特性，减少弯管的阻力损失，改善弯管出口流态，给出基于管径D的参数化控制尺寸，且加工制作简单，方便进行批量生产，便于实际工程的推广应用。

本发明基于最小阻力原理和迪恩数方程对弯管进行设计，以达到：

（1）过流弯管的阻力损失最小；

（2）改善弯管内部的流动特性。

流体最小阻力原理和应用

流体最小阻力原理指流体在一定流通量的情况下总是沿着阻力最小的路径流动或以阻力最小的方式流动。实际上，这是自然界普遍遵循的法则。

水流在弯管中流动受离心惯性力的作用而趋向于弯管的外侧，同时有脱离弯管内侧的趋向。因此，弯管中的阻力损失一是水流与管壁之间的摩擦损失，二是水流脱离边壁造成的漩涡损失。

h_f =ζ_f

h_j =ζ_j(v²/2g)

式中：

h _f  —— 摩擦损失（沿程损失）；

h_j  —— 局部损失；

ζ_f  —— 摩擦损失系数；

ζ_j  —— 局部损失系数；

v  —— 管道内水流流速。

迪恩数方程

基于迪恩涡对的产生是由于弯管内流体所受离心力和粘性力相互作用的结果，并基于迪恩数方程进行计算，迪恩数是弯管内流动的离心力和粘性力的比值，即：

Dn=Re×（D/2r_c）^0.5

式中：Re  —— 雷诺数；

D  —— 管道直径，m；

r_c  —— 表示弯管的曲率半径，m；

n —— 传统90°弯管曲率半径与进口断面直径D的比。

本发明的技术方案是：新型90°变曲率弯管，其特征是，所述弯管的中心弧线为逐步增大曲率的变曲率弧线或四分之一的椭圆型线，垂直于中心弧线的各断面均为圆形断面。

所述圆形断面为与弯管的进、出管口等直径的圆形面。

所述弯管的内壁两侧对称布置肋条，肋条的厚度为0.005D，高度为0.05D，肋条的型线与弯管中心线在同一曲面内，肋条两端距离弯管进、出管口分别为0.33～0.36管口直径长度。