基于 Fluent 的三通管數值模擬及分析

魏顯達，王為民， 徐建普

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

基于 Fluent 的三通管數值模擬及分析

魏顯達，王為民， 徐建普

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

Fluent軟件作為流體力學中通用性較強的一種商業(yè)CFD軟件應用范圍很廣。通過利用Fluent計算流體動力學（CFD）的軟件，對石油工業(yè)系統中常見的三通管內部流體進行了模擬分析，得到了三通管內在流體流動時的速度、壓力和溫度場分布圖，為石油管道中的流體輸送提供了理論依據。

Fluent；三通管；模擬分析；分布圖

Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%，廣泛應用于流體、熱傳熱和各種化學反應等有關工業(yè)。軟件包括前處理器（利用Gambit進行物理建模、網格劃分和劃定邊界層條件）、求解器（根據專業(yè)條件不同，采用不同的求解器，并規(guī)定物性、外部工作環(huán)境和進行數值迭代）和后處理器（把一些數據可視化，滿足用戶的特定要求）。

三通管在石油工業(yè)中應用廣泛，采用傳統的設計開發(fā)方法，存在經濟成本高，研發(fā)周期長等缺陷，耗費大量的人力、物力[1-2]。應用CFD軟件，能夠在相對較短的設計周期內，較低的成本運行下，準確模擬流動具體過程，如速度場、壓力場和溫度場等的時變特性等。CFD技術已經成為不可缺少的設計手段。

本文利用Fluent的超強數值計算和分析能力對三通管道內原油流動時的速度、壓強和溫度場進行了數值模擬和分析，為石油管道中的流體輸送提供了可靠的理論依據。

1 數學模型的建立和分析

輸油管道管中，原油在三通管內的流動屬于湍流，簡化方程管道內的流體流動滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒、狀態(tài)方程等。

連續(xù)性方程（連續(xù)性方程式質量守恒定律在流體力學中的表現形式）在直角坐標系下表示為（（1）方程）[3-5]：

式中：Vx，Vy，Vz是速度矢量ν在x、y和z軸方向的分量，t是時間，ρ是密度。

最常用的湍流求解模型是標準k-ε湍流模型。它需要求解湍動能k((2)方程)和耗散率ε((3)方程)，具體如下所示：

式中：對于不可壓縮流體,Gb= 0,YM= 0,在Fluent中，作為系統默認值常數，C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍動能k與耗散率ε的湍流普郎特數分別為σk=1.0，σε=1.3。

2 物理模型的建立及分析

2.1 用Gambit創(chuàng)建幾何模型

Gambit是一具有超強組合建構模型能力的專用的 CFD前置處理器，能靈活方便的進行幾何修正，自動選擇最合適的網格劃分算法[6]。設三通管的計算模擬尺寸（每根管子的直徑為15 cm，長度為90 cm,3根管子相互正交。）網格劃分圖（劃分為四面體網格，網格劃分2 584個）如圖1所示。

圖1 三通管網格劃分圖Fig.1 Meshing of three-way connection pipe Fluent

開始計算，迭代57次后，計算收斂，其殘差曲線如下圖2所示。

圖2 三通管殘差曲線圖Fig.2 Residual plot of three-way connection pipe

2.2 對三通管內流體的描述和簡化

① 原油流動為連續(xù)介質流體，流體流動為湍流，不可壓縮牛頓流體；

② 原油的密度為883 kg/m3，粘度為1.98 kg/（m?s），比熱為2 146 J / (kg?K)，導熱系數0.668。1進口的速度為2.5 m/s，油的溫度為365 K；2的進口速度為2.2 m/s,油的溫度為323 K。

2.3 數值模擬速度場、溫度場和壓力分布 [7]

溫度分布圖如圖3、4。

圖3 x=0平面上溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution of plane

圖4 三通管的溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of three-way connection pipe

圖5 x=0平面上壓力分布圖Fig.5 Pressure distribution of plane x=0

圖6 三通管的壓力分布圖Fig. 6 Pressure distribution of three-way connection pipe

壓力分布圖如圖5、6。速度矢量分布圖如圖7、8。

圖7 x=0平面上速度矢量分布圖Fig. 7 Velocity distribution of plane x=0

圖8 三通管的速度矢量分布圖Fig.8 Velocity distribution of three-way connection pipe

3 結 論

本文章對原油在三通管的流動，用Fluent分別對其流動的溫度場、速度場和壓力進行了分析計算模擬，根據圖像得出以下結論：

（1） 溫度分布圖（圖3、圖4）所示，兩股不同溫度的流體混合后流過同一個管道，混合后的溫度處于兩個速度之間，而且管道越長，溫度就成梯度下降。在靠近接口的溫度接近于相近的流體的溫度。

（2） 壓力分布圖（圖5、圖6）所示，兩股不同壓力的流體混合后流過同一管道時，在管道交界處的壓力比較大，但隨著管道輸送距離越來越大，壓力也逐漸變小，在混合管道的末端流體壓力達到最小。

（3） 速度矢量圖（圖7、圖8）所示，兩股不同速度的流體混合后流過同一管道時，在管道交接處得到速度達到最大值，而且形成湍流。隨著管道輸送距離的變大，速度逐漸減小。其分布圖與溫度分布圖相似。

通過Fluent對三通管及部分管道的速度場、溫度場和壓力場的數值分析，得出速度場、溫度場和壓力分布圖，指出在實踐生產中根據這些物理量的分布要適當選擇管道管材以及做好保溫材料的選取和優(yōu)化管道結構化設計。實現軟件取樣，可以很好的為實踐做好理論依據。

[1] 湯廣發(fā).室內氣流數值計算及模型試驗[M].長沙：湖南大學出版社，1989：150-158.

[2] 趙琴，王靖.FLUENT在暖通空調領域中的應用[J].制冷與空調，2003（2）:15-18.

[3] 朱克武，王玉興，唐艷琴.基于 FLUENT的五通管流場數值分析[J].內蒙古石油化工，2009（15）:70-71.

[4] 鐘建立，付麗霞，雷進波.全玻璃太陽能真空集熱管流場和溫度場的可視化研究[J].浙江大學學報，2005（31）：351-354.

[5] 牟國棟，詹淑慧，趙懋林.置換通風與CFD數值模擬[J].建筑節(jié)能，2009（1）:36-39.

[6] 樊勇保，李曉嬌，李玲，等.基于Fluent的高爐風口流場和溫度場的模擬[J].計算機應用技術，2009（29）:324-326.

[7] 韓占忠，王敬，蘭小平，等.流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2004:201-223.

Numerical Simulation and Analysis of Fluid in Three-way Connection Pipe Based on Fluent Software

WEI Xian-da，WANG Wei-min，XU Jian-pu
(Institute of Petroleum and gas engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

As a commercial CFD software with good universality, the Fluent software has been used extensively. In this paper, Simulation analysis on fluid in the three-way connection pipe of the oil industry was carried out by the software of fluid mechanics computation .Then distribution graphs of velocity , pressure and temperature of fluid in the three-way pipe were gained，which can offer theoretical basis on fluid transportation in the petroleum pipeline.

Fluent three-way；Connection pipe；Simulation analysis；Distribution graphs

TQ 018

A

1671-0460（2011）02-0165-03

2010-08-17

魏顯達（1983-），男，碩士，黑龍江北安人，2007年畢業(yè)于大慶石油學院電子信息工程，研究方向：塔頂流出系統的腐蝕與防護。E-mail：whwh_2008@163.com。