直角弯道流动损失的实验研究

王圣驰

【摘 要】在工程中经常需要计算管路压力损失，直角弯头、变径、阀门等组件通常是压力损失产生的主要部件。为了探究直角弯道的流动损失规律，使用轴流模型级试验台对直角弯道的流动性能进行现场测试；介绍了直角弯道的流动损失的计算方法；得到了直角弯道流动损失及总压损失系数与流速变化之间的相关规律，为直角弯道的设计、安装与运行提供实验支持与设计指导。

【关键词】直角弯头 实验测试 流动损失

本文对直角弯道的总压损失进行试验测试，并进行研究与分析，探究直角弯道流动损失和损失系数与流速、流量之间的关系，为直角弯头的设计应用提供实验支持。

1 直角弯道流动性能测试实验装置

本实验对象为通径DN700D的90度直角弯头，圆管内径为Φ710mm，内部设置五排圆弧形导流翅片，如图1所示。

图1 带导流翅片直角弯头结构示意

为了测试该直角弯头的流动性能，在弯头前端接等径长管，长管前端接圆弧形进口集流器以测量流量q，弯头后端与试验台机组相连，试验台动叶轴穿过直角弯道与外侧的扭矩仪、电机相连接。实验依据GB/T 1236-2000“工业通风机用标准化风道进行性能试验”标准进行。

2 直角弯道的流动损失计算及分析

弯头气流流量q由进口集流器处测得的集流器压差pst计算得出，计算公式如下：

（1）

式中：A——通流面积（m2）；

ρ——空气密度（kg/m3）；

φ——流量系数，圆弧形取0.99。

总压损失系数ζ，可由下式计算

（2）

式中：p1——直角弯道入口总压（Pa）；

P2——直角弯道出口总压（Pa）；

Δp——直角弯道进出口压差（Pa）。

在不同流量下测得进口集流器压差pst、总压损失Δp，并利用测得的参数计算流量q、流速v、总压损失Δp、总压损失系数ζ，相关数据如表1所示。

表1 测量数据及计算数据

参数

工况 集流器压差

pst（Pa） 弯头总压损失

Δp（Pa） 直角弯头流量

q（m3/s） 直角弯头流速

v（m/s） 弯头总压损失系数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

根据试验数据可以得到直角弯头总压损失Δp以及总压损失系数ζ随流速v变化的曲线，分别如图2、图3所示。

由图2可知，气流流经直角弯头产生的总压损失Δp随通流流速v的增大而增大。由图3可知，气流流经直角弯头时，在流速较小的情况下，总压损失系数ζ随流速v的增大而增大，并存在某一最大值，当流速继续增大时，总压损失系数ζ基本保持不变。

图2 直角弯道总压损失-流速图 图3 直角弯道总压损失系数-流速图

在试验流速范围内，直角弯头的损失和损失系数，可以通过流速从图2、图3中查得得出直角弯头损失。在试验流速范围外，直角弯头损失可以根据流速从曲线的延长线查得损失系数，利用公式（2）的变化公式，初步计算得出直角弯头损失。

3 结语

为了分析直角弯头流动损失，以一带五排导流翅片、通径DN700的直角弯道为研究对象，进行了相关试验。通过实验得到了DN700直角弯道总压损失Δp以及总压损失系数ζ随流速v的变化曲线及规律：直角弯头产生的总压损失随流速增大而增大；总压损失系数随流速增大而增大，大于一定流速时则基本保持不变。利用曲线及计算公式（2）能够得到任意流速所对应的损失系数及总压损失。对直角弯道的设计与实际工程应用有一定的指导价值。