(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111463852.0 (22)申请日 2021.12.0 3 (71)申请人 南昌工程学院 地址 330000 江西省南昌市 市辖区高新区 天祥大道 289号 (72)发明人 姚莉　朱晓明　陈浩　李金波　 顾信钦　张思金　石先罗　黄孝聪　 斯静　任长江　吴建华　 (74)专利代理 机构 南京华恒专利代理事务所 (普通合伙) 32335 代理人 宋方园 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06Q 10/04(2012.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 113/14(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种通过CFD预测突扩管道局部流场影 响范 围的方法 (57)摘要 本发明公开了一种通过CFD预测突扩管道局 部流场影 响范围的方法， 包括S1对突扩 管道局部 流场进行量纲分析， 找出突扩断面前后范围的影 响关系； S2通过能量方程计算管道突扩 前的单位 长度沿程水头损失； S3通过能量方程计算管道突 扩后的单位长度沿程水头损失； S4计算水流经过 管道突扩段时的局部水头损 失； S5通过CFD方法 找到突扩前和突扩后局部流场的影 响临界断面； S6通过CFD选取不同收缩比在不同雷诺数下进行 计算， 与S5得到的局部流动影 响范围的无量纲数 进行数据分析， 从而 得到影响范围随雷诺数的具 体表达式。 本发 明能够准确预测突扩 管道局部流 动的影响范围， 提高能量方程中水头损失的计算 精度。 权利要求书4页 说明书10页 附图4页 CN 113971381 A 2022.01.25 CN 113971381 A 1.一种通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S1： 对基准尺度突扩管道局部流场各参数之间进行量纲分析， 找出突扩断面前后 影响长度与各参数之间的量纲关系； 步骤S2： 对基准尺度突扩管道 的突扩断面前的均匀流处选取两个过流断面， 建立能量 方程， 计算管道突扩前的不受局部流场影响的单位长度沿程水头损失； 步骤S3： 对基准尺度突扩管道 的突扩断面后的均匀流处选取两个过流断面， 建立能量 方程， 计算管道突扩后的不受局部流场影响的单位长度沿程水头损失； 步骤S4： 对基准尺度突扩管道的突扩断面前和突扩断面后均匀流处各取一个过流断面 列写能量方程， 计算 求解水流经 过管道突扩段时产生的局部水头损失； 步骤S5： 通过CFD计算找到基准尺度突扩管道突扩前和突扩后局部流场的影响边界； 步骤S6： 在不同雷诺数条件下， 通过步骤S5提出的方法找出与基准尺度不同的多个不 同收缩比突扩管道局部流场的影响边界； 步骤S7： 通过SPSS对步骤S6中得到的不同收缩比突扩管道局部流场的影响边界进行数 据分析， 得到的局部流动影响范围与雷诺数的具体表达式； 步骤S8： 测得工程中突扩管道的突扩前管道直径和突扩后管道直径， 带入步骤S7中拟 合得到的公式即可求得突扩管道局部流动影响范围。 2.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法， 其特征在 于： 所述步骤S1中， 通过以下方法实现： 建立基准尺度突扩管道模型， 突扩断面前为小直径 管道， 突扩断面后为大直径管道， 小直径管道的直径定义为d， 小直径管道的长度为Lb， 大直 径管道的直径定义为D， 大直径管道的长度为La， 管道中速度为v， 管壁糙率为n， 管壁绝对粗 糙度表示为△， 液体密度为ρ， 动力粘性系数为 μ， 重力加速度为g， 局部流动在 小直径管中的 影响边界与突扩断面之间的距离 为L1， 定义小直径管道的回流度为L1/d， 局部流动在大直径 管中的影响边界与突扩断面之间的距离 为L2， 定义大直径管道的回流度为L2/D， 列写局部流 动影响范围的量纲关系式： L1/D， L2/D＝f(Re,d/D,Δ /D,n) 式中： Re为管道雷诺数， 其表达式为Re＝vρ d/ μ， d/D为突扩管小直径管径与大直径管径 的正收缩比， △/D为管道的相对粗 糙度， n为管道的糙 率。 3.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法， 其特征在 于： 所述步骤S2中， 通过以下方法实现： 在突扩断面前的均匀流处选取两个不受突扩断面局 部流动影响 的过流断面， 分别定义为 断面1‑1和断面2 ‑2， 以突扩管道的中心线为基准线对 断面1‑1和断面2 ‑2建立能量方程如下： 式中： Z1、 Z2分别为断面1 ‑1、 断面2‑2的单位重量液体的位置水头， p1/ρ g、 p2/ρ g分别为断 面1‑1、 断面2‑2的单位重量液体的压强水头， v12/2g、 v22/2g分别为断面1 ‑1、 断面2‑2的单位 重量液体的速度水头， hf1‑2为断面1‑1与断面2 ‑2之间的水头损失， 由于断面1 ‑1和断面2 ‑2 均取至均匀流管 段； 由此可以计算得到断面1 ‑1与断面2 ‑2之间的沿程水头损失hf1‑2如下式所示：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 113971381 A 2则突扩断面前的单位长度沿程水头损失h ’f1‑2如下式所示： 式中x2‑x1为断面2‑2与断面1 ‑1之间的直线距离 。 4.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法， 其特征在 于： 所述步骤S 3中， 通过以下方法实现： 在突扩断面后的均匀流处选取两个不受突扩断面局 部流动影响 的过流断面， 分别定义为 断面3‑3和断面4 ‑4， 以突扩管道的中心线为基准线对 断面3‑3和断面4‑4建立能量方程如下： 式中： Z3、 Z4分别为断面3 ‑3、 断面4‑4的单位重量液体的位置水头， p3/ρ g、 p4/ρ g分别为断 面3‑3、 断面4‑4的单位重量液体的压强水头， v32/2g、 v42/2g分别为断面3 ‑3、 断面4‑4的单位 重量液体的速度水头， hf3‑4为断面3‑3、 断面4‑4之间的水头损失； 由此可以计算得到断面3 ‑3与断面4‑4之间的沿程水头损失hf3‑4如下式所示： 则突扩断面后的单位长度沿程水头损失h ’f3‑4如下式所示： 式中x4‑x3为断面4‑4与断面3 ‑3之间的直线距离 。 5.根据权利要求1所述的通过CFD预测突扩管道局部流场影响范围的方法， 其特征在 于： 所述步骤S4中， 通过以下方法实现： 在突扩断面前和突扩断面后均匀流处各取一个过流 断面列写能量方程， 其中突扩断面前的过流断面初始 值为步骤S2中的断面2 ‑2， 突扩断面后 的过流断面为步骤S3中的初始值断面3 ‑3， 以突扩管道的中心线为基准线对断面2 ‑2与断面 3‑3列写能量方程如下： 式中hw2‑3为断面2‑2与断面3 ‑3之间的总水头损失， 包括断面2 ‑2至断面3 ‑3之间的全部 沿程水头损失和突扩水流产生的局部水头损失； 在管径不变的情况下， 管道中的沿程水头损失只与水流经过的距离有关， 由步骤S2和 步骤S3中突扩断面前、 突扩断面后的单位长度沿程水头损失可以得到断面2 ‑2至断面3 ‑3之 间的总沿程水头损失为： hf2‑3＝h′f1‑2×L断面2‑突扩 断面+h′f3‑4×L突扩 断面‑断面3 其中L断面2‑突扩 断面为断面2‑2至突扩断面 之间的长度， L突扩 断面‑断面3为突扩断面至断面3 ‑3之间 的长度；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 113971381 A 3