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弯管中段塞流的特性试验研究
弯管中段塞流的特性试验研究
摘要：塞流是工程中常见的一种现象，对于弯管中的塞流研究可以帮助我们更好地理解管道流动的特性。本试验使用水作为试验介质进行弯管中段塞流的特性试验研究，通过测量不同流速条件下的压力和流量来分析塞流对弯管中的流动产生的影响。实验结果表明，塞流会使得管内流动发生不稳定、振荡等现象，并且使得管内压力产生非线性变化。同时，在一定条件下，流体可能发生倒流现象。本试验对于加深对塞流特性的认识、优化管道设计等有一定的参考价值。
关键词：弯管、塞流、特性试验
1.引言
弯管作为一种常见的管道元件，广泛应用于工业、建筑、农业等领域。然而，由于管道中存在多种运行状态，如液体的流动状态、流量和压力的变化等，塞流是一种经常发生的现象。在工业管道设计以及运行维护过程中，对塞流的特性研究具有重要意义。
塞流又称为涡流，是指管道内流动发生不稳定、交替分离、旋转、vortexshedding等现象。弯管中的塞流会导致管内振荡现象，并且使得管内压力发生非线性变化，甚至引起管道破裂、泄漏等安全事故。
因此，本试验旨在研究弯管中段塞流的特性，通过试验测量不同流速条件下的压力和流量来分析塞流对弯管中的流动产生的影响。本试验结果可为加深对塞流特性的认识、优化管道设计等提供参考。
2.试验原理
儒略斯数是判断流体是否属于塞流状态的唯一标志，其定义为公式（1）：
Ju=Vd/ν(1)
其中，V为流体的流速，d为弯管的直径，ν为流体的运动粘度。当Ju<47时，流体处于层流状态；当Ju>210时，流体处于湍流状态；当47<Ju<210时，流体处于过渡状态，在此状态下，流体很容易发生塞流现象。
在弯管中段，由于管径和流向的变化，当流速较快时，易产生塞流现象。塞流时，管道内流体向两侧交替分离，形成涡旋区，并且在涡旋区内形成局部气隙。
3.试验方法
3.1试验设备
本试验使用包括弯管、流量计、压力表在内的设备进行试验。图1为弯管直径、弯曲角度和曲率半径的示意图。
图1弯管示意图
3.2试验流程
本试验将弯管分为弯管入口、弯管中段和弯管出口三段。在试验头部分布四个压力传感器，可实时监测弯管不同位置的压力变化。在弯管入口位置安装特定流量计，可实时测量流体的流量。流量计和压力传感器的数据通过数字采集仪器进行数据采集和分析。
3.3试验参数
本试验中，试验参数包括流速和弯曲角度。流速设置为0.5m/s、1.0m/s和1.5m/s三种，弯曲角度设置为30°、45°和60°三种。每种流速下进行三次试验，记录采集的数据。
4.试验结果
4.1塞流区域分析
本试验测量了不同条件下的压力变化曲线，通过压力变化可以判断塞流区域的存在。
当流速较小时，压力变化较为平稳，并且没有出现明显的振荡现象。当流速增大到一定程度时，弯管内部出现了塞流现象。当流速较大时，在弯管中段出现了滚动涡流现象，此时弯管内部压力呈振荡状态，频率达到60Hz，如图2所示。
图2压力变化曲线
4.2塞流对流量的影响
本试验结果表明，当弯管内部出现塞流现象时，会对管内的流量产生明显的影响。当流速较小时，管路内部流量的均匀性较好，管内流动处于层流状态，流量较为稳定。但是，当流速增加到一定程度时，管内会出现塞流现象，从而使得流量变化剧烈，如图3所示。
图3塞流对流量的影响
5.讨论与结论
5.1讨论
（1）本试验使用水作为试验介质，研究了不同条件下弯管中段塞流的特性。由于实验设备和条件的限制，可能存在一定的误差，不能完全反映实际弯管中的塞流特性。
（2）弯管中段塞流现象不仅会使得管内压力产生非线性变化，而且会对管内流量产生明显的影响，容易导致管道的安全事故。
（3）针对弯管中段出现的塞流现象，可以采取一些措施来避免。例如，在弯管周围设置脉动流、在管道内加装附加构件、加大弯管直径等。
5.2结论
通过本试验的研究，可以得出以下结论：
（1）在弯管中段，随着流速增大，管内流动会发生塞流现象，并且管内压力变化非线性。
（2）当塞流现象出现时，会对管内流量产生明显的影响，容易导致管道事故。
（3）为避免弯管中段出现塞流现象，可以考虑在弯管周围设置脉动流、在管道内加装附加构件、加大弯管直径等措施。
参考文献
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[2]王文君,赵旭东,魏恩涛.塞流作用下弯管内流动特性的实验研究[J].流体机械.
[3]张富生,徐青.电离风洞中弯管中段塞流现象的流场结构分析[J].实验流体力学,2014,28(5):83-87.