直角彎道流動損失的實驗研究

王圣馳

【摘 要】在工程中經(jīng)常需要計算管路壓力損失，直角彎頭、變徑、閥門等組件通常是壓力損失產(chǎn)生的主要部件。為了探究直角彎道的流動損失規(guī)律，使用軸流模型級試驗臺對直角彎道的流動性能進行現(xiàn)場測試；介紹了直角彎道的流動損失的計算方法；得到了直角彎道流動損失及總壓損失系數(shù)與流速變化之間的相關規(guī)律，為直角彎道的設計、安裝與運行提供實驗支持與設計指導。

【關鍵詞】直角彎頭 實驗測試 流動損失

本文對直角彎道的總壓損失進行試驗測試，并進行研究與分析，探究直角彎道流動損失和損失系數(shù)與流速、流量之間的關系，為直角彎頭的設計應用提供實驗支持。

1 直角彎道流動性能測試實驗裝置

本實驗對象為通徑DN700D的90度直角彎頭，圓管內徑為Φ710mm，內部設置五排圓弧形導流翅片，如圖1所示。

圖1 帶導流翅片直角彎頭結構示意

為了測試該直角彎頭的流動性能，在彎頭前端接等徑長管，長管前端接圓弧形進口集流器以測量流量q，彎頭后端與試驗臺機組相連，試驗臺動葉軸穿過直角彎道與外側的扭矩儀、電機相連接。實驗依據(jù)GB/T 1236-2000“工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗”標準進行。

2 直角彎道的流動損失計算及分析

彎頭氣流流量q由進口集流器處測得的集流器壓差pst計算得出，計算公式如下：

（1）

式中：A——通流面積（m2）；

ρ——空氣密度（kg/m3）；

φ——流量系數(shù)，圓弧形取0.99。

總壓損失系數(shù)ζ，可由下式計算

（2）

式中：p1——直角彎道入口總壓（Pa）；

P2——直角彎道出口總壓（Pa）；

Δp——直角彎道進出口壓差（Pa）。

在不同流量下測得進口集流器壓差pst、總壓損失Δp，并利用測得的參數(shù)計算流量q、流速v、總壓損失Δp、總壓損失系數(shù)ζ，相關數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)

參數(shù)

工況 集流器壓差

pst（Pa） 彎頭總壓損失

Δp（Pa） 直角彎頭流量

q（m3/s） 直角彎頭流速

v（m/s） 彎頭總壓損失系數(shù)ζ

1 982 1584.291 20.566 53.44 0.928

2 860 1329.050 18.852 48.99 0.926

3 783 1068.629 16.847 43.78 0.931

4 691 822.439 14.723 38.26 0.939

5 593 532.438 12.349 31.9 0.859

6 386 328.158 9.9465 25.7 0.820

7 250 200.232 8.0430 20.78 0.757

8 193 139.629 7.0280 18.16 0.690

9 171 133.043 6.6082 17.07 0.743

10 147 100.156 6.1407 15.86 0.646

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以得到直角彎頭總壓損失Δp以及總壓損失系數(shù)ζ隨流速v變化的曲線，分別如圖2、圖3所示。

由圖2可知，氣流流經(jīng)直角彎頭產(chǎn)生的總壓損失Δp隨通流流速v的增大而增大。由圖3可知，氣流流經(jīng)直角彎頭時，在流速較小的情況下，總壓損失系數(shù)ζ隨流速v的增大而增大，并存在某一最大值，當流速繼續(xù)增大時，總壓損失系數(shù)ζ基本保持不變。

圖2 直角彎道總壓損失-流速圖 圖3 直角彎道總壓損失系數(shù)-流速圖

在試驗流速范圍內，直角彎頭的損失和損失系數(shù)，可以通過流速從圖2、圖3中查得得出直角彎頭損失。在試驗流速范圍外，直角彎頭損失可以根據(jù)流速從曲線的延長線查得損失系數(shù)，利用公式（2）的變化公式，初步計算得出直角彎頭損失。

3 結語

為了分析直角彎頭流動損失，以一帶五排導流翅片、通徑DN700的直角彎道為研究對象，進行了相關試驗。通過實驗得到了DN700直角彎道總壓損失Δp以及總壓損失系數(shù)ζ隨流速v的變化曲線及規(guī)律：直角彎頭產(chǎn)生的總壓損失隨流速增大而增大；總壓損失系數(shù)隨流速增大而增大，大于一定流速時則基本保持不變。利用曲線及計算公式（2）能夠得到任意流速所對應的損失系數(shù)及總壓損失。對直角彎道的設計與實際工程應用有一定的指導價值。