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90°弯管的三段弯曲式管形优化设计

刘伟 张展

刘伟, 张展. 90°弯管的三段弯曲式管形优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(1): 142-151. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180109
引用本文: 刘伟, 张展. 90°弯管的三段弯曲式管形优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(1): 142-151. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180109
Liu Wei, Zhang Zhan. Optimal Design of a Three-section-bending 90° Elbow Pipe[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(1): 142-151. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180109
Citation: Liu Wei, Zhang Zhan. Optimal Design of a Three-section-bending 90° Elbow Pipe[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(1): 142-151. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180109

90°弯管的三段弯曲式管形优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180109
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51875460

航空动力基金项目 6141B090320

详细信息
    作者简介:

    刘伟(1981-), 副教授, 博士, 研究方向为管道动力学和动力学可靠性, 缺陷材料、聚合物材料的力学行为, liuwei@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: TG156

Optimal Design of a Three-section-bending 90° Elbow Pipe

  • 摘要: 90°弯曲导管是航空管路系统的常见形式,但是传统一段弯曲方式,在高压高速流体流经时,会产生较大的涡流区,易引发流体噪音和管道结构振动。本文以肘形导管为例,研究了三段弯曲式管形优化设计。首先,根据涡流区和二次流的产生位置,提出三段弯曲方式的两种肘形导管设计方案。然后,以减小弯曲段和出口段涡流平均值为目标,采用线性近似约束优化算法(COBYLA),对三段弯曲肘形导管对应的4个管形参数进行尺寸优化。优化结果表明,三段弯曲方式涡流减少6.29%,截面二次流最大速率降低51.97%,流经弯曲段的压力损失降低12.64%。最后,讨论了管径、压力、流速等因素对优化结果的影响,给出最优管形参数的取值范围。该设计为航空管路的弯管设计和消脉减振提供了技术手段。
  • 图  1  涡流区位置和管截面二次流示意图

    图  2  两种肘形导管弯曲方式的改进优化示意图

    图  3  三段弯曲的肘形管道设计优化流程图

    图  4  优化后的管形尺寸

    图  5  流线分布、涡流区位置和截面速度对比图

    图  6  Ux方向的变化

    图  7  循环工况下两种管形的优化效果与原始管形对比

    图  8  优化参数随流速变化趋势

    图  9  优化参数随管径变化趋势

    图  10  参数随压力等级变化趋势

    表  1  最优管形参数结果

    管形Ⅰ 管形Ⅱ
    θ1 R21 θ2 R31 θ2 R1 θ1 R3
    初始值 50.0° 60 mm 10.0° 50 mm 50.0° 40 mm 20.0° 45 mm
    区间 [45, 90] [40, 80] [5, 45] [40, 80] [45, 90] [40, 80] [5, 45] [30, 80]
    优化后 53.0° 80 mm 15.5° 70 mm 55.3° 40 mm 20.7° 80 mm
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    表  2  三段弯曲与一段弯曲管形的涡流平均值对比

    s-1
    管道各部分的涡流平均值 除去入口的涡流平均值 优化效果
    入口直管段 弯曲段 出口直管段
    原始管形 1135.41 1239.55 1269.67 1257.40 -
    管形Ⅰ 1141.00 1184.73 1165.66 1178.33 6.29%
    管形Ⅱ 1141.18 1199.45 1209.40 1203.37 4.30%
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    表  3  三段弯曲与一段弯曲管形的二次流强弱对比

    (m·s-1)
    弯曲段出口截面U的最大值 弯曲段出口截面U的平均值 出口截面U的平均值 下降幅度(最大值)
    原始管形 3.177 2.199 0.804 -
    管形Ⅰ 1.526 0.815 0.346 51.97%
    管形Ⅱ 1.653 0.930 0.373 47.97%
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    表  4  三段弯曲与一段弯曲管形的压力损失对比

    入口压力值/Pa 出口压力值/Pa 压力损失/Pa 降低幅度
    原始管形 21014689.29 20999809.79 14879.51 -
    管形Ⅰ 21012857.55 20999858.76 12998.80 12.64%
    管形Ⅱ 21013487.64 20999832.40 13655.25 8.23%
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  • 收稿日期:  2017-12-25
  • 刊出日期:  2019-01-05

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