基于Fluent 對三通管件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

陳致明 劉少峰

（中國城市建設(shè)研究院有限公司蘭州分院， 甘肅 蘭州 730000）

三通管件是一種管道連接件，其主要使用在管道中存在有分支的地方，三通管件在建筑、機(jī)械制造、化工等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛[1]。在建筑行業(yè)，三通的使用非常頻繁。因為三通管件的特殊結(jié)構(gòu)，使其相較于其他的管道附件，流體流經(jīng)時會產(chǎn)生更多的水頭損失，對能量的損耗較大，公共建筑節(jié)能好壞直接影響到整個建筑節(jié)能工程[2]。

三通的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，影響質(zhì)量和性能的因素多。在實際服役過程中，三通不僅承受內(nèi)壓，還往往受到彎矩、扭矩、軸向力的作用。由于三通管件的幾何結(jié)構(gòu)和所受外載的復(fù)雜性，導(dǎo)致其往往成為管系中應(yīng)力集中較高的危險部位[3]。研究在三通管件匯水處加設(shè)導(dǎo)流片的方法，改善來自不同方向流體匯水后的水力特性，并且在此過程中獲得改善三通附件結(jié)構(gòu)的更優(yōu)方案，以降低流體流經(jīng)此處的水頭損失[4]。

1 模型的確定

1.1 連續(xù)性方程

三通管件內(nèi)的液體流動看作為單相流，滿足流體力學(xué)中的連續(xù)性運(yùn)動方程，即以選定的控制體為研究對象，在單位時間內(nèi)流入控制體的流體質(zhì)量等于流出控制體的流體質(zhì)量。其表達(dá)式如下：

式中：ρ為流體的密度，單位為kg/m3；ux，uy，uz為流體在x、y 和z 方向上的速度分量，單位為m/s。

1.2 湍流模型

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε方程模型，其湍動能k 和耗散率ε的方程如下：

式中Gk是由平均溫度梯度引起的湍動能；Gb是由浮力影響引起的湍動能；Ym是可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；是湍流黏性系數(shù)。

在 Fluent 中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε= 1.92，C3ε=0.09，湍動能k 和耗散率ε的湍流普朗特常數(shù)分別為σk=1.0，σz=1.3

1.3 計算模型

本文以三通管件為研究對象，其固體材料設(shè)置為steel，管道內(nèi)流體均為液態(tài)水，其三維模型如圖 1 所示。本研究的數(shù)值計算通過ANSYS Workbench 12.1 軟件完成。首先進(jìn)行三通附件的3D 建模和網(wǎng)格劃分[3-4]，網(wǎng)格劃分見圖2。以此模型為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行三通管件流體匯流后水利特性的數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)改善。

圖1 三通管件三維圖（剖面）

圖2 網(wǎng)格劃分

2 三通管件中流體匯流后水力特性的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型

本研究以流體為為研究對象，假定為不可壓縮流體，湍流方程選用標(biāo)準(zhǔn) Kε 方程，數(shù)值計算時，入口條件選擇流體速度為2m/s，出口條件為自由出口。

2.2 三通管件結(jié)構(gòu)的改善

為減少三通管件匯水處的水頭損失，本研究對三通管件匯水處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。由質(zhì)量守恒方程可知，對某一控制體中固定的流量，流體流經(jīng)管道的速度與管道的橫截面面積成反比，即減小管道的橫截面面積，流體在此管道中的流速將會增加。當(dāng)管道內(nèi)的流體的流速增加時，根據(jù)水頭損失公式可知，水頭損失的大小與流速的二次方成正比[5]。因此在三通管件內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流片時，本研究中設(shè)置導(dǎo)葉片數(shù)為一個，以防止流體的流速受到較大的影響[6]。

2.3 導(dǎo)流片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

進(jìn)行數(shù)值模擬時，設(shè)計所增加導(dǎo)流片的材質(zhì)與三通管件的材質(zhì)相同，均為結(jié)構(gòu)鋼。首先，嘗試在三通管件匯水處設(shè)置一導(dǎo)流片，導(dǎo)流片為相切于三通管件測管內(nèi)壁面的四分之一圓。這種設(shè)置方法可以對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行直接分析，從而獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)改善方案。本研究所設(shè)置的導(dǎo)流片形狀及導(dǎo)流片布置示意圖如圖 3 所示。

圖3 加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件

2.4 模擬結(jié)果分析

本研究旨在優(yōu)化三通管件匯水處的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低此處水頭損失。通過分析優(yōu)化模型與未改造的模型的數(shù)值模擬結(jié)果，選出三通管件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。此處對流體流經(jīng)三通管件的速度和壓力的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

2.4.1 對速度模擬結(jié)果的分析

對比分析加導(dǎo)流片后的三通管件與原三通管件速度云圖如圖4 和圖5 所示。觀察發(fā)現(xiàn)，兩者出口處最大的流速均為5.2m/s，增加導(dǎo)流片后對三通管件匯水后的最大流速并沒有影響。在增加導(dǎo)流片后，匯水管中流速在2.9-5.2m/s 之間的流體所占比例為40%以上，而在未設(shè)導(dǎo)流片的原三通管件中流速在2.7-5m/s 之間的流體所占比例不足30%，因此，增加導(dǎo)流片后，流體匯水后的速度分布更加的均勻。且增加導(dǎo)流片后，三通管件中支管內(nèi)流體的流速所受匯水后的水力影響更小。

圖4 加設(shè)導(dǎo)流片的速度云圖

圖5 原三通管件橫向速度云圖

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)，增加導(dǎo)流片后管中的水流狀況有較大的改善，為更加清晰的看到增加導(dǎo)流片對匯水后的流速影響，現(xiàn)對比分析在增加導(dǎo)流片前后，在三通管件中的橫向與豎向的速度分布狀況。

圖6 加設(shè)導(dǎo)流片的橫向速度云圖

圖7 原三通管件橫向速度云圖

對比分析加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件與原三通管件的橫向速度云圖如圖6 和圖7所示。從圖中可知，出口處的橫向最大速度均為5m/s，加設(shè)導(dǎo)流片對匯水后的橫向速度無影響。在加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件中，橫向速度增加至最大速度較快。兩三通管件的縱向速度梯度相差較小，且兩模型在匯水拐角處貼近出水管上壁面處均有回流，說明二者均在此處產(chǎn)生有旋渦，即在此處為能量損失的主要部位，且速度均在1.1-1.9m/s 之間，兩模型在產(chǎn)生回流現(xiàn)象的區(qū)域相差較小，說明增加導(dǎo)流片對三通管件中橫向速度的影響主要為導(dǎo)流片后水流橫向速度的增加速度。

圖8 加設(shè)導(dǎo)流片的縱向速度云圖

圖9 原三通管件縱向速度云圖

對比分析加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件與原管件的縱向速度云圖如圖8 和圖9 所示。加設(shè)導(dǎo)流片對匯水入口處的縱向速度影響不大，僅在導(dǎo)流片背面出現(xiàn)向下的縱向速度，以實現(xiàn)流經(jīng)此處的流體轉(zhuǎn)向流入?yún)R水管中。從圖9 中可以看出，在出流口處出現(xiàn)向上的大小為4m/s 的縱向速度，而在加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件中無此現(xiàn)象。說明在加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件匯水管中為層流，縱向無流體位移，而在原三通管件匯水管中為紊流。即在原三通管件匯水管中的水頭損失更大。

2.4.2 對壓力模擬結(jié)果的分析

對比分析加導(dǎo)流片后的三通管件與原三通管件壓力云圖如圖10 和圖11 所示。觀察發(fā)現(xiàn)，兩者出口處最大壓力均為1kpa，增加導(dǎo)流片后對三通管件匯水后的壓力無影響。增加導(dǎo)流片后對三通管件匯水處的壓力有較大影響，在進(jìn)口流速均為2m/s 的情況下，加設(shè)導(dǎo)流片后，三通管件支管所需的壓力降低為7kpa，而橫管所需壓力上升至13kpa，而在未設(shè)導(dǎo)流片的原三通管件的進(jìn)水管道所需壓力均在10kpa，因此，增加導(dǎo)流片后，進(jìn)水管流體所需的壓力將發(fā)生變化。

圖10 加設(shè)導(dǎo)流片的壓力云圖

圖11 原三通管件壓力云圖

3 結(jié)論

三通管件是生產(chǎn)和生活中常用的管道附件。為改變流體三通管件匯水時的水頭損失，筆者提出了在三通管件匯水處加設(shè)導(dǎo)流片的改造方案。本研究的結(jié)論如下：

（1）增加導(dǎo)流片后對三通管件匯水后的最大流速并沒有影響，且流體匯水后的速度分布更加的均勻。

（2）加設(shè)導(dǎo)流片對匯水后的橫向速度無影響。在加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件中，橫向速度增加至最大速度較快

（3）在加設(shè)導(dǎo)流片的三通管件匯水管中為層流，縱向無流體位移，而在原三通管件匯水管中為紊流，原三通管件匯水管中的水頭損失更大。

（4）增加導(dǎo)流片后，進(jìn)水管流體所需的壓力發(fā)生變化，三通管件支管所需的壓力降低，而橫管所需壓力上升。