【摘要】本文首先介绍了流动阻力的成因及分类、局部损失的产生及减阻措施，然后应用CFD方法对液压管路中存在的一些典型结构进行分析，研究流道对能量损失的影响。
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　　【关键词】粘性流体；数值模拟；局部损失
　　1.引言
　　实际流体都是具有粘性的，故又称为粘性流体。有资料表明，在一个液压系统中，液流阻力所产生的能耗在整个系统无功能耗中占了很大比例。究其原因，是由于液阻和液阻管路结构设计不合理。在液压系统中，不合理的管路流道形式及尺寸大小都在一定程度上降低了液压系统的能量利用率。
　　2.管路中流动阻力的成因及分类
　　管路中导致流动阻力原因很多。首先，流体之间摩擦和掺混可视为内部原因，所形成的阻力称为内部阻力，记为Fi，其大小主要受管道直径、流量和流体粘度的影响；其次，流体与管壁之间的摩擦和撞击可视为外部原因，所形成的阻力称为外部阻力，记为F0，其大小主要由液流与管壁的接触面积、管壁的粗糙程度和流量决定。
　　流体沿管路流动时，一方面，由于流体的粘性在直管段内所产生的粘性切应力将阻止流体的流动；另一方面，在管路中的阀门、弯头等各种不同类型的局部管件处将形成漩涡，产生额外的阻力。因此，可将流动阻力划分成以下两类：
　　(1)沿程阻力与沿程水头损失
　　流体沿均一直径的直管段流动时所产生的阻力，称为沿程阻力。克服沿程阻力所产生的水头损失，称为沿程水头损失，用表示。
　　(2)局部阻力与局部水头损失
　　流体流过局部管件时所产生的阻力，称为局部阻力。克服局部阻力所产生的水头损失称为局部水头损失，用表示。
　　在既有直管段，又有弯头、阀门和变径接头等局部构件的管路上，流体流过这样的管路时会产生沿程水头损失和局部水头损失。因此，总的水头损失应为各直管段的沿程水头损失与所有局部管件的局部水头损失之和，即=∑+∑。
　　3.局部损失的产生及减阻措施
　　实际管道中还要安装弯头、三通、闸阀、变径管等管道配件，流体流经这些配件处时，由于固体边壁或流量的改变，使均匀流状态发生变化，从而引起流速的方向、大小以及断面流速分布的变化，因而在局部管件处会产生集中的局部阻力，流体因克服局部阻力摩擦导致的能量损失，称为局部损失。
　　管道中产生局部损失的管道配件种类繁多，形状各异，再加上由于边界面的变化，使流体流动发生急剧变形，因此大多数局部阻碍的能量损失计算，无法从理论上进行推导和证明，必须通过实验来测定局部阻力系数，以解决管路中的水力计算问题。
　　减小管中流体运动的阻力有两种完全不同的方式：一是通过改变流体边界条件来减小局部阻力；二是通过流体中加入一些添加剂，通过改变流体运动的内部结构达到减阻目的。下面介绍改变流体边界条件的减阻措施：
　　(1)减小管壁的粗糙度，从而减小管道阻力。在实际工程中对钢管、铸铁管内部喷涂的工艺，既可达到管道防腐的目的，又可减小管道阻力。另外随着管道材料的多样化，采用塑料管道、玻璃钢管道代替金属管道也可达到很好的效果。
　　(2)改变流体外边界条件，防止旋涡区的产生或者降低旋涡区的强度，是减小局部损失的重要措施。
　　4.典型流道流场的数值模拟与分析
　　局部损失与沿程损失一样，流态对局部阻力会产生很大的影响，但要使流体在流经管道配件处受到固体边壁强烈干扰的情况下，仍能保持层流，就要求Re远比2000小的情况下才有可能。而实际管道中，这种情况是极少出现的。所以我们只介绍紊流的局部损失。为了探讨紊流局部损失的成因，本文以T型管为例，应用CFD方法分析其液体流动情况，并在此基础上提出正确、合理的设计方案。其他典型结构的分析可以采用相同的方法。
　　根据T型管路的几何特性，其油液流动方向有四种种情况，两种分流，两种合流。分别表示为如图1、图3、图5和图7。
　　(1)分流
　　通常情况下，分流的主要损失是由流体在分流处突然扩散时的冲击损失、分支管路中流体的转向损失、在分支管路中的扩散损失组成。
　　通过图1可以看出，由于流体的转弯，不可避免的要出现从转弯曲率中心向管子外侧的离心力，这就使得转弯处外侧壁压力增高，内侧壁压力降低，根据伯努利方程可知在外侧壁附近流速将减小，而内侧壁速度增加。因此，外侧壁出现扩散效应，导致流体脱离内侧壁面；在靠近内侧壁处则出现收缩效应，引起涡流，从而造成很大的压力损失。同时，我们看到在T型管的拐弯处出现最大应力且应力集中在那里，很容易导致管路破裂。
　　图2是将直角转弯处改进为圆角过渡的仿真结果，从图中可以看出，转弯处改为圆角之后，应力集中处的压力得以分散，且分流后流速均匀，因此圆角转弯大大缓和了流体的分离，使阻力降低。
　　B型分流及其改进后的压力、速度云图如图3、图4。
　　(2)合流
　　T型管路合流的主要损失是由两支不同速度流的紊流混合损失、从分支管路进入主管路的转向损失、经过直角转弯后突然收缩损失等组成。
　　通过对比图5和图6，图7和图8中的压力云图和速度云图可知，在T型管中，圆弧过渡直角转弯的低局部阻力系数主要是由于在圆弧管道内速度梯度变化小，几乎没有液流的分离、附壁与脱流的过程，也减少了产生能耗的涡旋的形成。因此在对液压管路中，应考虑采用有圆角过渡的流道设计，以降低流道液阻，即降低系统能耗。
　　5.结束语
　　本文介绍了流动阻力的成因及分类、局部损失的产生及减阻措施，并应用计算流体动力学(CFD)以典型流道T型管为例进行了流场模拟研究。通过数值模拟得到T型流道的压力云图、速度云图，分析了流体流动在典型流道中扩散、收缩产生的位置，以及压降损失成因，同时还初步探讨了流道中典型结构的改进对系统特性的影响。
　　参考文献
　　[1]张宏.基于管网液流特性仿真的液压集成块优化设计[D].大连理工大学,2006.
　　[2]潘忠滨.弓形降液管内流场研究和数值模拟[D].浙江工业大学,2006.