基于 Fluent 的三通管數(shù)值模擬及分析

魏顯達(dá)，王為民， 徐建普

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

基于 Fluent 的三通管數(shù)值模擬及分析

魏顯達(dá)，王為民， 徐建普

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

Fluent軟件作為流體力學(xué)中通用性較強(qiáng)的一種商業(yè)CFD軟件應(yīng)用范圍很廣。通過(guò)利用Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的軟件，對(duì)石油工業(yè)系統(tǒng)中常見的三通管內(nèi)部流體進(jìn)行了模擬分析，得到了三通管內(nèi)在流體流動(dòng)時(shí)的速度、壓力和溫度場(chǎng)分布圖，為石油管道中的流體輸送提供了理論依據(jù)。

Fluent；三通管；模擬分析；分布圖

Fluent是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，廣泛應(yīng)用于流體、熱傳熱和各種化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)工業(yè)。軟件包括前處理器（利用Gambit進(jìn)行物理建模、網(wǎng)格劃分和劃定邊界層條件）、求解器（根據(jù)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(jìn)行數(shù)值迭代）和后處理器（把一些數(shù)據(jù)可視化，滿足用戶的特定要求）。

三通管在石油工業(yè)中應(yīng)用廣泛，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法，存在經(jīng)濟(jì)成本高，研發(fā)周期長(zhǎng)等缺陷，耗費(fèi)大量的人力、物力[1-2]。應(yīng)用CFD軟件，能夠在相對(duì)較短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)，較低的成本運(yùn)行下，準(zhǔn)確模擬流動(dòng)具體過(guò)程，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等的時(shí)變特性等。CFD技術(shù)已經(jīng)成為不可缺少的設(shè)計(jì)手段。

本文利用Fluent的超強(qiáng)數(shù)值計(jì)算和分析能力對(duì)三通管道內(nèi)原油流動(dòng)時(shí)的速度、壓強(qiáng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)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(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立和分析

輸油管道管中，原油在三通管內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流，簡(jiǎn)化方程管道內(nèi)的流體流動(dòng)滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)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(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)形式）在直角坐標(biāo)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(shí)間，ρ是密度。

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

式中：對(duì)于不可壓縮流體,Gb= 0,YM= 0,在Fluent中，作為系統(tǒng)默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普郎特?cái)?shù)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(qiáng)組合建構(gòu)模型能力的專用的 CFD前置處理器，能靈活方便的進(jìn)行幾何修正，自動(dòng)選擇最合適的網(wǎng)格劃分算法[6]。設(shè)三通管的計(jì)算模擬尺寸（每根管子的直徑為15 cm，長(zhǎng)度為90 cm,3根管子相互正交。）網(wǎng)格劃分圖（劃分為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分2 584個(gè)）如圖1所示。

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

開始計(jì)算，迭代57次后，計(jì)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(duì)三通管內(nèi)流體的描述和簡(jiǎn)化

① 原油流動(dòng)為連續(xù)介質(zhì)流體，流體流動(dòng)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(dǎo)熱系數(shù)0.668。1進(jìn)口的速度為2.5 m/s，油的溫度為365 K；2的進(jìn)口速度為2.2 m/s,油的溫度為323 K。

2.3 數(shù)值模擬速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)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(jié) 論

本文章對(duì)原油在三通管的流動(dòng)，用Fluent分別對(duì)其流動(dòng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力進(jìn)行了分析計(jì)算模擬，根據(jù)圖像得出以下結(jié)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(guò)同一個(gè)管道，混合后的溫度處于兩個(gè)速度之間，而且管道越長(zhǎng)，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(guò)同一管道時(shí)，在管道交界處的壓力比較大，但隨著管道輸送距離越來(lái)越大，壓力也逐漸變小，在混合管道的末端流體壓力達(dá)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(guò)同一管道時(shí)，在管道交接處得到速度達(dá)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(guò)Fluent對(duì)三通管及部分管道的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的數(shù)值分析，得出速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力分布圖，指出在實(shí)踐生產(chǎn)中根據(jù)這些物理量的分布要適當(dāng)選擇管道管材以及做好保溫材料的選取和優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)軟件取樣，可以很好的為實(shí)踐做好理論依據(jù)。

[1] 湯廣發(fā).室內(nèi)氣流數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)[M].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社，1989：150-158.

[2] 趙琴，王靖.FLUENT在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào)，2003（2）:15-18.

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

[4] 鐘建立，付麗霞，雷進(jìn)波.全玻璃太陽(yáng)能真空集熱管流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的可視化研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（31）：351-354.

[5] 牟國(guó)棟，詹淑慧，趙懋林.置換通風(fēng)與CFD數(shù)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(fēng)口流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2009（29）:324-326.

[7] 韓占忠，王敬，蘭小平，等.流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)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(dá)（1983-），男，碩士，黑龍江北安人，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院電子信息工程，研究方向：塔頂流出系統(tǒng)的腐蝕與防護(hù)。E-mail：whwh_2008@163.com。