基于CFD的匯流三通管阻力特性與流場可視化分析

2021-09-09 17:22:56尚星航季日臣

甘肅科技縱橫 2021年3期

尚星航季日臣

摘要：三通管是輸配水系統中常用的形式。在同一邊界條件下選用規格為30°、45°、60°、90°夾角三通管，采用不同匯流速度比，結合CFD數值模擬軟件進行分析計算，得到三通管道輸水時局部水頭損失系數變化規律。結果表明：局部阻力系數在雷諾數大于3×105之后基本保持穩定；在同一流速比下直管-主管流向的局部水頭損失主要是由流速梯度變化和直管渦流運動造成的；當角度為90°時，引發的水流回流撞擊比較強烈，實際應用中應盡量減少三通管夾角的大小以減少能量損失，提高過流能力。

關鍵詞：匯流三通管；局部阻力系數；分流比；數值模擬

中圖分類號：TV134文獻標志碼：A

基金項目：國家自然基金資助項目（項目編號：51669010）。

0引言

近年來在急速凸顯的節水灌溉技術中，滴灌、噴灌等新型技術節水效果明顯，尤其在甘肅、新疆、寧夏等地，其節水效率比普通灌提高近50%。目前，隨著三通管在多項灌溉技術中的應用增多，三通管已經逐漸成為輸水系統中一種常見的輸水設施。多年來，國內外學者對三通管進行了廣泛研究：陳江林等[1]通過試驗研究和數值模擬對T型三通管水流的流動特性進行分析，得到了不同分流比、管徑比對水頭損失系數的影響；許虎等[2]通過對不同出口夾角下的斜直三通管進行數值模擬得到不同入口雷諾數、斜直三通管主管與支管間夾角、局部水頭損失系數三者之間相關關系；石喜[3]等通過對不同PVC三通管進行了試驗與數值模擬研究，揭示了內部流場分布特性及局部阻力系數與雷諾數、管徑比的變化關系；李玲等[4]對三岔管內水流的流動進行數值模擬與實驗研究，分析初步得出岔管內能量損失的一些特性。

國內學者對分岔管道還進行了大量的研究[5～10]，但國內研究主要集中在分流三通管的阻力、流場特性和在不同流態下的沿程水頭損失或局部水頭損失以及阻力系數的變化，而對匯流三通管研究頗少，而且顯而易見僅利用試驗與理論來分析此類問題，會變得繁瑣而困難。本論述采用計算流體動力學技術（CFD），運用標準k-ε紊流模型，進行不同角度、流速下三通管的阻力特性和流場可視化分析，研究引起阻力、流場特征變化及局部水頭損失的原因。

1模型與方法

1.1湍流數學模型建立

Fluent提供的湍流模型包括：單方程模型、雙方程模型及雷諾應力模型和大渦模擬。標準模型需要求解湍動能及其耗散率方程。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到，但耗散率方程是通過物理推理，數學上模擬相似原形方程得到的。該模型假設流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此，標準模型只適合完全湍流的流動過程模擬。

1.2Gambit建立幾何模型及網格劃分

因模型內部結構復雜，為考慮各部分網格之間的耦合問題，Gambit的自動功能無法完成，所以本論述對模型進行了處理，將模型切割分成幾個部分進行網格劃分，然后將各部分的網格連成一個完整的模型，對流道突變的地方進行更密的網格劃分。

研究建立模型以及網格劃分、邊壁處理都在Fluent的前處理軟件Gambit軟件進行。三種規格的三通管均采用混合網格，在三通管分岔處采用網格局部加密，進行處理效果較好的Hex/Wedge與Cooper網格，其余部位劃分采用Tet/Hybrid與TGrid結合。30°、45°、60°、90°三通管網格數分別為4.18×105、4.26×105、4.45×105、4.61×105，網格劃分如圖1所示。

2三通管計算與阻力特性分析

2.1三維模型局部阻力系數計算方法

根據三通管豎直管為供水進水口主管的工況，分別進行30°、45°、60°、90°T型三通管試驗，探討不同匯流流速比下三通管局部阻力系數ξ1、ξ2隨雷諾數的變化趨勢，計算公式見表1所列；

式中：

Δp1——主管三通管截面；

Δp2——側管三通管截面；

vo——主管三通管匯流后水流流出速度；

S0——主管三通管截面；

S2——側管三通管截面；

Qo——主管流出三通管流量；

Q2——側管流入三通管流量。

2.2阻力系數計算成果及阻力特性分析

圖2、圖3分別給出了不同匯流速度比下90°、60°、45°、30°三通管局部阻力系數ξ1、ξ2隨雷諾數的變化趨勢。從圖中可以看出，四種不同角度的三通管中：90°三通管的阻力系數隨雷諾數的增大而呈減小趨勢；60°、45°、30°三通管的阻力系數隨雷諾數的增大而增大。本實驗中雷諾數最小值為2.3×105，水流此時的流動狀態處于紊流。粘性流體處于紊流狀態時，當雷諾數大于一定程度后，基本不影響流動狀態和流速分布，此時流動處于阻力平方區，阻力系數基本保持穩定，由結果看出當雷諾數Re≥3×105時，四種三通管的局部阻力系數變化幅度不大，幾乎處于平穩狀態。可以認為已經進入阻力平方區。

圖4、圖5給出了同一匯流速度比下，四種不同角度的壓力云圖和流線圖，可以看出：水流由直管進入主管時，經過轉彎處形成渦流和環流較為明顯，管內流態變得極不穩定，由于水流方向垂直，相互碰撞，能看到明顯的旋渦運動。當三通管分岔口角度為90°時，尺度極大，引發的水流回流撞擊也比較強烈；當三通管分岔口角度為60°時，流速梯度減弱，水流之間的碰撞速率降低，旋渦運動變小；當三通管分岔口角度為45°和30°時水流流速平順，流速分布比較均勻，未出現較大的流速梯度，也未形成渦流。通過分析可得：直管-主管流向的局部水頭損失主要是由流速梯度變化和直管渦流運動造成；隨著角度的減小，流速梯度減弱，管內水流流速趨于平順，渦流運動變小。

4結論

（1）在不同匯流速度比下90°、60°、45°、30°三通管局部阻力系數ξ1、ξ2隨雷諾數的增大而趨于穩定，在雷諾數大于3×105時認為局部阻力系數與雷諾數無關，具體如表2、表3、表4、表5、表6所列。

（2）三通管夾角為90°時，引發的水流回流撞擊比較強烈，造成較大的能量損失，隨著角度的減小，流速梯度減弱，管內水流流速趨于平順，渦流運動變小，在實際應用中應減少三通管夾角的大小以減少能量損失，提高過流能力。

（3）直管-主管流向的局部水頭損失主要是由流速梯度變化和直管渦流運動造成。