斜三通的CFD數(shù)值模擬及傳熱影響因素研究

朱海榮 盧紅亮 崔海亭 鄧小葉

摘要：為研究斜三通管內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱過程，應(yīng)用CFD軟件Fluent分別對管間夾角θ為20°～ 90°、流速比λ為2～3.5以及支管位置l為500～1 000 mm的斜三通內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對影響三通壁面平均換熱系數(shù)的各參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明，隨著θ和λ的增大，三通出口處流體最大速度逐漸增大，其中λ的影響更為顯著;壁面平均換熱系數(shù)隨θ和λ的增大而增大，隨l的減小而增大;支管位置l主要影響壁面平均換熱系數(shù)，對最大速度的影響可忽略不計(jì)。按照影響壁面平均換熱系數(shù)作用的強(qiáng)弱，支管位置l >流速比λ>管間夾角θ，即支管越靠近主管進(jìn)口、流速比越大、管間夾角越大，則壁面換熱效果越好。因此，支管位置是影響斜三通壁面?zhèn)鳠嵝Ч氖滓蛩亍?/p>

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù);斜三通;流動(dòng)與傳熱;管間夾角;流速比;支管位置

中圖分類號(hào)：TQ018文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to study the flow and heat transfer process of the fluid in an obliquetee， the CFD simulation of flow and heat transfer processes of the fluid in oblique tee with the included angle of 20°～90°， the velocity ratio of 2～3.5 and the branch position of 500～1 000 mm is carried out based on Fluent software， and the sensitivity analysis of various parameters influencing the average heat transfer coefficient of wall surface is conducted by orthogonal experimental design. The results show that as the included angle or velocity ratio increases， the maximum velocity of fluid at the outlet of oblique tee increases gradually， and the influence of velocity ratio is more significant. The average heat transfer coefficient of wall surface also increases with the increase of included angle and velocity ratio; the branch position mainly affects the average heat transfer coefficient of wall surface， and its influence on the velocity is negligible. The average heat transfer coefficient of wall surface is increasing with the decrease of the branch position. According to the different effects of various parameters on average heat transfer coefficient of wall surface， branch position l>velocity ratio λ>included angle θ， which means that the closer the branch pipe is to the inlet of main pipe， the greater the velocity ratio， and the greater the included angle， the better the heat transfer effect of wall surface will be. Therefore， the branch position is the primary factor to influence the heat transfer effect of oblique tee.

Keywords：energy conservation technology; ?oblique tee; flow and heat transfer; ?included angle; velocity ratio; branch position

三通可用于水、油及各種液體化工材料的輸送管路，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、水利（節(jié)水灌溉、給水排水）、能源動(dòng)力（石油、天然氣、核工業(yè)）、建筑等工程領(lǐng)域。三通作為主要的分流部件，當(dāng)流體流經(jīng)主管與支管的交匯處時(shí)，會(huì)在主管道截面上產(chǎn)生二次流動(dòng)并在支管內(nèi)產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)，不但會(huì)導(dǎo)致流體總壓和能量的損失，還會(huì)降低傳熱、傳質(zhì)的效率[1-2]。因此，研究三通在不同結(jié)構(gòu)形式下的流動(dòng)和傳熱特性以及影響其流動(dòng)傳熱性能的主要因素是非常有必要的。

有學(xué)者已經(jīng)對T型三通管內(nèi)流體流動(dòng)、傳熱特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一些研究。曹海兵等[3]和侯聰?shù)萚4]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析了等直徑的 T 型、Y 型和圓弧型三通管內(nèi)流體的流動(dòng)狀況和阻力性能。鞏啟濤等[5-6]通過對三通管內(nèi)流體速度場和壓力場的分析，研究了流速比λ、雷諾數(shù)Re、管徑比d及管間夾角θ對大管徑三通局部阻力的影響。楊康等[7]利用Fluent軟件分析了不同的流體參數(shù)和管路結(jié)構(gòu)下三通管內(nèi)流體的速度場、壓力場、溫度場和湍動(dòng)能等。韓方軍等[8]通過對不同管徑直角三通管的分析得出局部水頭損失和靜壓力的變化。王海軍等[9]研究了不同流速比下T型三通管內(nèi)的內(nèi)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及內(nèi)部溫度波動(dòng)。魏顯達(dá)等[10]通過對三通的速度、溫度、壓力進(jìn)行數(shù)值模擬對管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和選材優(yōu)化。陳江林等[11]和盧冬華等[12]通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究分析了三通水頭損失的機(jī)理及管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)。谷雨等[13]用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對三通進(jìn)行三維模擬，分析了管內(nèi)流體壓力和溫度的變化。石喜等[14]對PVC 三通管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，分析影響其局部阻力的主要因素。卜琳等[15]、龔旭等[16]數(shù)值模擬了斜三通管內(nèi)流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)、壓力分布與溫度分布情況，分析了斜三通幾何結(jié)構(gòu)、流動(dòng)條件和流體溫度變化對管內(nèi)流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)、溫度分布及熱應(yīng)力的影響。孫鑫[17]通過對T型三通和圓弧型三通內(nèi)流體的湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析其內(nèi)部的流場分布，初步研究了三通對大氣出流情況下的水頭損失率?？党朳18]分析了在三通管內(nèi)流體發(fā)生瞬態(tài)流動(dòng)時(shí)，流體的速度場、壓力場的變化。SELVAM等[19]和GAO等[20]通過數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了流速比與射流深入主流的程度成正比，在不同區(qū)域流體與壁面的換熱程度也不同，在射流管與主流管的交匯處溫度波動(dòng)最大。ANDREOPOULOS等[21-22]對當(dāng)射流垂直入射至主流體中且不同流速比時(shí)射流與主流的平均速度、紊動(dòng)能及平均溫度分布情況進(jìn)行了研究;SHERIF等[23]對當(dāng)水洞中熱水垂直向上注入冷流中且速比為1，4和7時(shí)的平均溫度及波動(dòng)溫度進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有文獻(xiàn)從不同方面研究了三通管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)溫度、壓力的分布情況以及阻力和湍流強(qiáng)度的變化規(guī)律，但是還缺乏對影響三通管內(nèi)流體流動(dòng)傳熱性能因素的顯著性分析，而顯著性分析的結(jié)果恰恰可以有效指導(dǎo)三通的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程應(yīng)用。本文應(yīng)用Fluent軟件數(shù)值模擬了斜三通在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如支管位置l、管間夾角θ）和運(yùn)行工況（如流速比）下的流體流動(dòng)狀況、速度場與平均換熱系數(shù)的分布情況，并得到了各參數(shù)對三通壁面平均換熱系數(shù)的影響規(guī)律。

1模型的建立

1.1物理模型

平均換熱系數(shù)是指流體與管壁面的平均對流換熱系數(shù)，不考慮三通管的管體內(nèi)外徑和壁厚以及其內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。本文主要研究兩股流速、溫度不同的流體，分別從主管、支管進(jìn)入斜三通，在三通管內(nèi)混合流動(dòng)并進(jìn)行傳熱，最終從主管出口流出的過程。斜三通物理模型如圖1所示，主管和支管的管徑均為150 mm，主管總管長為1 500 mm，支管管長為500 mm。

1.2網(wǎng)格模型

采用分塊劃分網(wǎng)格方法，以六面體網(wǎng)格為基本單元，在三通主管和支管交匯處進(jìn)行網(wǎng)格加密。近壁面第1個(gè)網(wǎng)格單元中心至壁面的距離滿足壁面函數(shù)法的要求。如圖2所示，當(dāng)管間夾角θ=60°，l=750 mm時(shí)，三通共劃分了 157 666個(gè)網(wǎng)格。進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果無明顯改變，表明此時(shí)網(wǎng)格滿足計(jì)算要求且較為合理。

2控制方程及邊界條件

2.1控制方程

3結(jié)果與討論

3.2壁面平均換熱系數(shù)的影響因素分析

圖6為λ=2，l=750 mm時(shí)，壁面平均換熱系數(shù)隨θ的變化規(guī)律。如圖6所示，支管流體的溫度較低，θ較小時(shí)支管流體與主管流體的混合不明顯，兩股流體各自平穩(wěn)地向出口流動(dòng)，支管壁面的換熱系數(shù)較大，換熱系數(shù)最大值出現(xiàn)在支管與主管的交匯處;隨著θ的增大，支管流體進(jìn)入主管后被迫改變方向并與主管流體混合碰撞，產(chǎn)生渦流，兩股流體在主管內(nèi)混合換熱，但是主要集中在主管軸線附近，因此壁面平均換熱系數(shù)略有下降;隨著θ的進(jìn)一步增大，兩股流體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的回旋渦流，在管道交匯處的湍流混合加劇，從而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)的大幅度提高;θ=90°時(shí)，兩股流體垂直相遇，碰撞最為劇烈，引起強(qiáng)烈的能量和動(dòng)量的交換，此時(shí)壁面換熱系數(shù)達(dá)到最大值。同時(shí)，由于流動(dòng)方向的改變而產(chǎn)生的漩渦也引起了水頭損失，在θ=90°時(shí)支管產(chǎn)生的水頭損失最大。

圖7所示為θ=45°，λ=2時(shí)，壁面平均換熱系數(shù)隨l的變化規(guī)律。無論支管位置距離主管進(jìn)口遠(yuǎn)近，兩股流體交會(huì)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)幾乎一樣，不同支管位置的壁面平均換熱系數(shù)最大值基本相同。然而，支管離主管進(jìn)口越近，支管流體越早與主管流體混合。因此，相同時(shí)間內(nèi)，混合后流體與壁面的對流換熱量會(huì)隨著l的減小而增大。

圖8為斜三通壁面平均換熱系數(shù)變化曲線圖。在相同λ下，隨著θ的增大，三通壁面平均換熱系數(shù)先減小后增大，但整體呈上升趨勢。在相同θ下，λ越大，壁面換熱系數(shù)越大。當(dāng)λ較小時(shí)，支管流體匯入主管比較緩慢，兩股流體無法形成強(qiáng)烈的混合，近似保持層流狀態(tài)向出口流動(dòng)，因此壁面換熱系數(shù)較小;隨著λ的增大，支管流體高速匯入主管，兩股流體強(qiáng)烈混合，在交匯處產(chǎn)生了強(qiáng)烈的回旋渦流，兩流體的湍流混合加劇，加速了流體間以及流體與壁面間的接觸換熱，從而使壁面平均換熱系數(shù)提高。

3.3正交試驗(yàn)分析

對不同參數(shù)（支管位置l、管間夾角θ、流速比λ）下三通管內(nèi)流體的傳熱過程進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，正交試驗(yàn)方案如表4所示。

表4所列的9組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，以第3組實(shí)驗(yàn)得出的壁面平均換熱系數(shù)最大，其水平組合為A3B3C3，分別是各影響因素中數(shù)值最大的組合。由此可以看出，本實(shí)驗(yàn)各因素組合中的最優(yōu)組合為A3B3C3。

表5為各參數(shù)的敏感性分析結(jié)果，表中k1，k2，k3為K1，K2，K3的平均值;R為極差，即每個(gè)因素下k的最大值與最小值的差值。通過R值的大小可以看出本實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)的影響作用存在顯著性順序，其主次關(guān)系為A>C>B，因此影響三通管壁面?zhèn)鳠嵝Ч囊蛩匾来螢橹Ч芪恢胠、支管與主管的流速比λ、管間夾角θ。支管越靠近主管進(jìn)口、流速比越大、管間夾角越大，則三通壁面的換熱效果越好。

4結(jié)論

利用Fluent軟件數(shù)值模擬了三通管內(nèi)流體的流動(dòng)傳熱過程，獲得了不同管間夾角、支管位置以及流速比對三通管內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱的影響，并運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了各參數(shù)對壁面換熱效果的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

1）隨著λ和θ的增大，三通出口處流體的最大速度都呈現(xiàn)增大的趨勢，且λ對流體最大速度的影響要高于θ;而支管位置l對兩股流體交匯時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)影響較小。可見出口流體最大速度主要取決于支管流體的流速。

2）三通壁面的平均換熱系數(shù)隨θ的增大先略有減小后增大，隨λ的增大持續(xù)增大，隨l的減小而逐漸增大，說明θ和λ的增大均能使兩股流體的混合更為充分，加劇了能量的交換和熱量的傳遞，使壁面平均換熱系數(shù)提高;而l的減小意味著支管流體提前匯入主管，相同時(shí)間內(nèi)增大了流體與壁面間的換熱量，從而使整個(gè)壁面的平均換熱系數(shù)增大。

3）通過正交試驗(yàn)分析影響三通壁面平均換熱系數(shù)的因素，按照影響壁面?zhèn)鳠嵝Ч某潭纫来螢橹Ч芪恢胠>流速比λ>管間夾角θ。即支管越靠近主管進(jìn)口、流速比越大、管間夾角越大，壁面的換熱效果越好。因此，支管位置是影響斜三通壁面?zhèn)鳠嵝Ч氖滓蛩亍?/p>

4）筆者對全面認(rèn)識(shí)三通管內(nèi)流體的流動(dòng)和傳熱過程提供了參考，然而三通管內(nèi)流體在交匯時(shí)伴隨著能量損失和阻力性能的變化，因此在最小能量損失和阻力下研究流體輸送和流體與管壁之間的對流換熱是未來的一個(gè)研究方向。

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