Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 10: 94 - 100

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240527

HYDRAULICS

Hydraulic Characteristics and Optimization of Bifurcated Pipe

  • DONG Jing , 1 ,
  • ZHOU Wang-zi 2 ,
  • JIANG Zhi-bing 1 ,
  • ZHAI Ze-bing 3 ,
  • HE Yao 4
Expand
  • 1 Hydraulics Department,Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China
  • 2 Changjiang Survey, Planning, Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China
  • 3 China Railway Water Conservancy and Hydropower Planning and Design Croup Co., Ltd., Nanchang 330029, China
  • 4 China Railway Development and Investment Group Co., Ltd., Kunming 657499, China

Received date: 2024-05-16

  Revised date: 2024-08-27

  Online published: 2024-10-25

Fold

Abstract

Bifurcated pipes constitute an essential part of water conveyance pipeline in water diversion projects. They are commonly used to connect large major pipes with branch pipes.To address the local low-pressure issue in bifurcated pipes, we propose using an elliptical arc chamfer design while maintaining the existing bifurcation angle. We investigated the flow pattern, pressure distribution, and head loss in both circular arc and elliptical arc chamfered bifurcated pipes using numerical simulations and verified the reliability of numerical results via model experiments. Our results reveal that, with only the main pipe in operation, the elliptical arc chamfered bifurcated pipe exhibits smoother water flow pattern and a 6.9% reduction in head loss coefficient compared to circular arc due to larger space and gradual change of flow section. This design significantly improves the local low-pressure distribution at the bifurcation, raising the minimum pressure by 1.47 meters compared to the circular arc chamfered pipe.On the contrary, when only the branch pipe is in operation, both circular arc and elliptical designs show similar internal flow pattern and pressure distributions; however, the head loss coefficient for elliptical arc chamfered pipe is 5.7% higher than that of the circular arc chamfered pipe.

Key words： bifurcated pipe; elliptical arc chamfer; hydraulic characteristics; numerical simulation; model experiment; water diversion project

Cite this article

DONG Jing , ZHOU Wang-zi , JIANG Zhi-bing , ZHAI Ze-bing , HE Yao . Hydraulic Characteristics and Optimization of Bifurcated Pipe[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(10) : 94 -100 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240527

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

当下我国经济已转向高质量发展阶段,畅通国家水网大动脉,实施重大引调水工程建设,是解决水资源时空分布不均、更大范围实现空间均衡的必然要求[1]。在引调水工程中,岔管是输水管线中的重要结构,常用于连接大型主管道和小型分支管道。由于管径变化较大,岔管内部的水流流态比较复杂,可能出现负压、空化、回流或漩涡等危害性水流现象[2]。因此,如何设计岔管体型一直是引调水工程中重点关注的问题[3]。
关于岔管体型优化,国内外学者开展了大量研究,取得了丰富的研究成果[4⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-15]。代元等[6]、信佰伶[7]研究了导流板对岔管水力特性的影响,结果表明设置导流板能够平稳岔管内水流流态、减小岔管段水头损失[6],当导流板偏转角为28°时岔管水力特性最佳[7]。吴亮[8]针对岔管内中隔墩体型进行了优化,发现将墩头局部圆化处理并后撤1.1 m可降低中墩两侧水头差并有效改善水流冲击问题。上述研究均表明,在岔管内部设置导流结构可有效改善岔管水力特性,研究成果为岔管设计提供了重要参考,但现有技术都存在制作工艺复杂、施工困难等缺陷。刘沛清等[9]、高亚楠等[10]、于航等[11]分析了分岔角大小对岔管水力特性的影响,发现分岔角较小时水流运动更平顺、水头损失较小。然而,在岔管设计中还需兼顾其结构特性。现有研究表明,分岔角越小,分岔角处的应力集中现象越明显,可能导致岔管结构破坏[12]。为改善应力集中问题,工程实践中提出了对分岔角进行修圆倒角的方案[13]。但进行倒圆处理后,可能会导致岔管内部流态恶化或出现不利压强分布[14-15]。目前,关于倒角设计形状对岔管水力特性的影响研究较少,倒角形状是否能够进一步优化,值得深入探索。
针对上述问题,本文以某引调水工程卜形岔管为研究对象,提出在不改变岔管分岔角角度的前提下,设置椭圆弧形倒角方案,以改善分岔角局部低压问题。采用数值模拟方法,结合模型试验,对圆弧形倒角和椭圆弧形倒角岔管的水力特性进行了研究,研究成果可为岔管设计提供参考。

1 数值模拟方法

1.1 几何模型与计算网格

某输水管线主管直径5 m,支管直径3 m,分岔角58°,主支管结合部位的卜形岔管结构如图1所示。基于该管线岔管体型,本文重点研究岔管下游倒角形状对岔管水力特性的影响规律。数值模拟共研究了2种体型,如图2所示,体型1为原设计体型,主支管下游采用圆弧形倒角,圆弧半径为2 m;体型2为优化体型,主支管下游采用椭圆弧形倒角,椭圆长半径3 m、短半径2.27 m。
图1 卜形岔管体型示意图

Fig.1 Schematic diagram of bifurcated pipe

图2 不同倒角形式示意图

Fig.2 Schematic diagram of different chamfer shapes

为准确模拟岔管内部水流运动及水力特性,计算域除了卜形岔管,还包括部分库区、进水塔、主管、支管、末端明渠,如图3所示。对形状复杂的卜形岔管采用适应性更好的四面体网格进行离散,其他部分均采用六面体网格。为准确捕捉管道内部的流动细节,对卜形岔管曲率较大位置的网格进行局部加密,网格总数约125万。
图3 计算域示意图

Fig.3 Computational domain

1.2 控制方程

基于N-S方程,利用RNG κ-瞬态紊流三维数学模型[16]求解岔管内部水流运动,控制方程如下。
连续方程为
∂ ( ρ u i ) ∂ x i = 0 　 。
动量方程为
∂ ρ u i ∂ t + ∂ ∂ x j ρ u i u j = f i - ∂ p ∂ x i + ∂ ∂ x j μ + μ t ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i 　 。
κ方程为
∂ ρ κ ∂ t + ∂ ρ u j κ ∂ x i = ∂ ∂ x i + μ + μ t σ κ ∂ κ ∂ x i + C κ - ρ ε 　 。
ε方程为
∂ ρ ε ∂ t + ∂ ρ u j ε ∂ x i = ∂ ∂ x i μ + μ t σ ε ∂ ε ∂ x i + C 1 ε ε κ C κ - C 2 ε ρ ε 2 κ 　 。
式中:t为时间; ρ为流体密度;ui、uj均为速度分量;xi、xj均为坐标分量;μ、μt分别为动力黏性系数与紊流黏性系数,且μt=Cuρκ2/ε,Cu为经验常数,Cu=0.09, κ为湍动能, ε为湍流耗散率; σ κ 、 σ ε 、 C 1 ε 、 C 2 ε均为经验常数,σκ=1.3、σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92;p为压力;fi为质量力;Cκ为平均速度梯度产生的紊动能项,Cκ=μt ∂ u i ∂ x j + ∂ u j ∂ x i ∂ u i ∂ x j。

1.3 计算方法与边界条件

该工程岔管存在2种运行工况:主管单独运行(支管末端封堵)、支管单独运行(主管末端封堵),本文运用Fluent 2021流体分析软件对2种体型岔管在上述2种运行工况下的水力特性进行研究。采用有限体积法对控制方程进行离散,压力与速度耦合通过SIMPLEC算法求解,速度离散采用二阶迎风格式,湍流模型近壁采用标准壁函数处理。库区进口根据库水位给定压力边界条件,库区顶部给定大气边界条件。当主管单独运行时,明渠出口为自由出流、明渠顶部给定大气边界条件,支管出口断面设置为固壁边界;当支管单独运行时,支管出口断面根据工程引用流量(18.52 m3/s)设置为质量流量出口边界,主管为盲管段,明渠出口和明渠顶部设置为固壁边界。管道壁面设置为无滑移边界条件。

2 数值模拟分析

2.1 主管单独运行工况

图4为主管单独运行时圆弧形和椭圆弧形倒角岔管内部水平剖面上的水流流线分布和流速云图。对于圆弧形倒角岔管而言,该工况下,支管未运行,为盲管段,其内部水流速度低,支管内部因动静水剪切作用而形成低速漩涡流动;主管内部水流速度高,流态整体平顺,水流主要沿主管轴线方向运动,在与支管交汇处,因过流断面面积增大和支管内部漩涡卷吸作用而偏离主管轴线方向。相比之下,椭圆弧形倒角岔管流场基本特征与前者相近,主要区别在于:圆弧形倒角和椭圆弧形倒角对支管内部漩涡的影响不同,使得支管内部漩涡的大小及其对主流的作用程度不同。椭圆弧形倒角体型在倒角处空间更开阔、过流断面变化更平缓,漩涡流动区域更大,漩涡对主流的顶托作用更明显,减轻了主流在主支管交汇处的偏转程度,将主流绕倒角流动的前驻点(如图4(b)中箭头所示)向下游方向推移,进而将倒角末端的高流速区域(见图4(b)中三角形标识)向主管下游推移。
图4 主管单独运行时2种体型岔管水平剖面水流流线分布和流速云图

Fig.4 Streamline distribution and contours of flow velocity in horizontal profile of two types of bifurcated pipe with only the main pipe in operation

图5为主管单独运行时,圆弧形倒角岔管和椭圆弧形倒角岔管管壁及水平剖面压强分布云图。由图5可知,主管单独运行时,未运行的支管内部水流压强均较高;主管上、下游段的压强分布较均匀;水流在主支管交汇处因过流断面面积发生变化,压强分布相对不均匀。2种体型岔管的最大压强均出现在支管底部及岔管裆部水流前驻点附近,最小压强均出现在岔管裆部靠主管附近。圆弧形倒角岔管最大压强为14.69×9.81 kPa、最小压强为3.04×9.81 kPa,椭圆弧形倒角岔管最大压强为14.85×9.81 kPa、最小压强为4.51×9.81 kPa。2种体型岔管最大压强基本一致,但椭圆弧形倒角岔管的最小压强较圆弧形倒角岔管提高了1.47 m水头。结合岔管内部水流流态可知,这是由于椭圆弧形倒角能够将绕流前驻点和倒角衔接处的高流速区域向下游方向推移,进而避免倒角衔接处出现局部低压,说明椭圆弧形倒角能够有效改善岔管低压分布,进而提高岔管的抗空化性能。
图5 主管单独运行时圆弧形和椭圆弧形倒角岔管管壁及水平剖面压强云图

Fig.5 Pressure distribution on the wall and in the horizontal profile of circular arc-shaped and elliptical arc-shaped chamfered bifurcated pipe with only the main pipe in operation

对主管单独运行时,2种体型岔管水头损失进行计算,得到圆弧形倒角岔管水头损失系数为0.072,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数为0.067。可知,主管单独运行时,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数较小,较圆弧形倒角岔管降低了6.9%。主要是由于主管单独运行时,椭圆弧形倒角岔管主管内部流态更加平顺。

2.2 支管单独运行工况

图6为支管单独运行时2种体型岔管内部水平剖面上的水流流线分布和流速云图。由图6可知,支管单独运行时,圆弧形倒角和椭圆弧形倒角岔管内部水流流体特征比较接近:岔管上游主管内部水流基本沿着主管轴线方向运动,流速分布比较均匀,流态整体平顺;水流经过主支管交汇处,过流断面面积发生变化,主流运动方向沿岔管内侧发生弯曲,流速逐渐增大,水流能够顺畅地进入支管,支管进口水流流态良好,流速分布较均匀,仅在支管外侧局部位置出现高速水流区域;未运行的主管下游出现低速漩涡流动,圆弧形倒角内部漩涡运动区域更大,对主流产生更强的顶托作用。
图6 支管单独运行时2种体型岔管水平剖面流线分布和流速云图

Fig.6 Streamline distribution and contours of flow velocity in horizontal profile of two types of bifurcated pipe with only the branch in operation

图7为支管单独运行时,圆弧形倒角岔管和椭圆弧形倒角岔管管壁及水平剖面压强分布云图。
图7 支管单独运行时圆弧形和椭圆弧形倒角岔管管壁及水平剖面压强云图

Fig.7 Pressure distribution on the wall and in the horizontal profile of circular and elliptical arc-shaped chamfered bifurcated pipe with only the branch in operation

由图7可知,2种体型岔管压强分布规律比较接近,岔管最大压强均靠近底部,最小压强均靠近顶部。圆弧形岔管最大压强为7.96×9.81 kPa、倒角附近最小压强为4.92×9.81 kPa,椭圆弧形岔管最大压强为7.98×9.81 kPa、倒角附近最小压强为4.87×9.81 kPa,可知支管单独运行时,2种体型岔管压强分布基本一致。2种岔管在水平剖面上的压强分布相对不均匀,不均匀位置主要集中在支管与主管交汇处过流断面面积发生变化的区域,局部低压区均出现在支管锐角裆部附近,这是由于水流沿着倒角作绕流运动引起的。
对支管单独运行时,2种体型岔管水头损失进行计算,得到圆弧形倒角岔管水头损失系数为0.441,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数为0.467。可知,支管单独运行时,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数较大,较圆弧形倒角岔管增加了5.7%。主要是由于支管单独运行时,主管内部低速漩涡对主流的顶托作用更强,使得主流进入支管更加顺畅。

3 模型验证

为保证数值模拟方法的可靠性,针对椭圆弧形倒角岔管,开展物理模型试验研究。由于主管单独运行时,管道引用流量大、水流流速高,易出现局部低压分布,为不利运行工况,故针对主管单独运行工况开展试验,进行数值模拟方法的可靠性验证。监测主管单独运行时岔管内部流态及壁面时均压强,与数值模拟结果的进行对比。
物理模型比尺为Lr=30,按照重力相似准则进行设计。物理模型范围包括主管段、椭圆弧形倒角岔管、支管段、末端明渠。模型采用有机玻璃和PVC管制作。岔管壁面压强通过测压管量测,流量采用电磁流量计测量,岔管流态通过示踪剂法显示。测量过程中,每个水力参数测量3次,取其均值进行分析。物理模型照片及岔管边壁时均压强测点布置如图8所示,测点编号中的字母t、m、b分别表示岔管顶部、中部、底部测点。模型试验的基本水力参数中,试验方案为椭圆倒角,试验工况为主管单独运行,上游水头为28.66 m,流量为0.054 m3/s,雷诺数为3.17×105。
图8 物理模型照片及时均压强测点布置

Fig.8 Physical model photo and arrangement of pressure measurement points

图9为模型试验所监测的主管单独运行时岔管内部流场图,图中粉红色物质为示踪剂。由图9可知,在岔管上游的主管段内部,水流沿主管轴线方向运动;当水流运动至主支管交汇处时,运动方向略微偏向支管一侧;支管进口附近出现的粉红色示踪剂区域与数值模拟计算得到的支洞内部漩涡范围一致(见图4(a)中的体型2),说明支管内部形成了漩涡结构,示踪剂受漩涡卷吸作用而聚集在该区域。由此可知,模型试验得到的岔管内部流场特征与数值模拟结果基本一致。
图9 岔管内部流场

Fig.9 Internal flow field of bifurcated pipe

表1为岔管管壁测点时均压强的试验值与数值模拟值,可知,数值模拟值与试验值的边壁时均压强分布规律一致,二者相对误差范围为0.17%~3.15%。数值模拟结果与试验结果吻合良好,证明了数值模拟结果的可靠性。
表1 时均压强的试验值与模拟值对比

Table 1 Comparison between experimental and simulated values of time-averaged pressure

测点 试验值/(9.81 kPa) 模拟值/(9.81 kPa) 相对误差/%
1m 9.26 8.99 2.94
2m 8.88 8.92 0.48
3t 6.76 6.55 3.15
4b 11.58 11.38 1.77
5m 8.19 8.22 0.35
6m 13.96 14.09 0.94
7m 5.02 5.03 0.17
8m 8.23 8.28 0.57
9t 8.33 8.43 1.15
10t 10.94 10.83 1.03
11b 6.02 5.97 0.88

4 结论

在不改变分岔角角度的前提下,本文通过设置椭圆弧形倒角来改善分岔角局部低压问题。 采用数值模拟分别对圆弧形倒角和椭圆弧形倒角卜形岔管的水力特性进行了研究,并通过物理模型试验对优化体型进行了验证。研究结论如下:
(1)与圆弧形倒角岔管相比,主管单独运行时,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数降低了6.9%,支管单独运行时,椭圆弧形倒角岔管水头损失系数增加了5.7%,主要是由于主管单独运行时,椭圆弧形倒角岔管支管中漩涡流动范围更大、对主管内水流顶托作用更强,减轻了主流的偏转程度,过流更顺畅,而支管单独运行时,圆弧形倒角岔管主管内部低速漩涡对主流的顶托作用更强,使得主流进入支管更加顺畅。
(2)2种体型岔管倒角附近的最小压强均出现在岔管锐角裆部附近。主管单独运行时,椭圆弧形倒角通过将水流绕倒角流动的前驻点和高流速区推向下游,从而避免了岔管局部低压现象,最小压强提高了1.47 m水头;支管单独运行时,2种体型倒角附近最小压强基本一致。
(3)椭圆弧形倒角岔管数值模拟结果与模型试验监测的水流流态、压力分布规律基本一致,验证了研究成果的可靠性,说明椭圆弧形倒角岔管可有效改善岔管低压分布,提高岔管抗空化性能。

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