基于流體計(jì)算力學(xué)的T型管流場(chǎng)性能研究

趙婷婷　楊道龍　夏友濤　黃倩倩　馬小雷　王云濤　孫志怡　俞煙婷

摘 要：為了獲得三種T型管的輸送能量耗散和管道沖擊情況，本文利用流體計(jì)算力學(xué)仿真軟件，研究了三種T型管模型的空氣輸送過程，分析了五種流場(chǎng)入口速度下的管內(nèi)總壓分布分布情況，對(duì)比仿真結(jié)果得出直角T型管道模型的管道沖擊和能量耗散較小但支管溢出量較大，而球形T型管模型的支管溢出量較小但是能量耗散較大，圓角T型管模型的管道沖擊、能量耗散和支管溢出量介于二者之間，本文仿真結(jié)果為流體輸送管路系統(tǒng)中的T型管選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué) 有限元仿真 T型管 流場(chǎng)仿真

Research on flow field performance of T-tube based on computational fluid dynamics

Zhao Tingting，Yang Daolong，Xia Youtao，Huang Qianqian，Ma Xiaolei，Wang Yuntao，Sun Zhiyi，Yu Yanting

Abstract：In order to obtain the energy dissipation and pipeline impact of three T-tube models， this paper studies the air transportation process of three T-tube models by using computational fluid dynamics simulation software， and analyzes the total pressure distribution in the pipe under five kinds of flow field inlet velocity. Compared with the simulation results， the right angle T-tube model has smaller pipeline impact and energy dissipation， but larger branch pipe overflow， However， the branch overflow of spherical T-tube model is small， but the energy dissipation is large. The impact， energy dissipation and branch overflow of rounded T-tube model are between the two. The simulation results of this paper provide a reference for the selection of T-tube in fluid transmission pipeline system.

Key words：Computational fluid dynamics， Finite element simulation， T-tube， Flow field simulation

1 引言

T型管也稱三通管，是由直管和支管垂直構(gòu)成，在流體輸送管路系統(tǒng)中經(jīng)常用作管路分配器。T型管在工業(yè)和農(nóng)業(yè)使用非常廣泛[1]。李東營(yíng)[2]以T型三通管液壓成形加載路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，針對(duì)預(yù)測(cè)能力不足、預(yù)測(cè)精度不高等問題，利用交叉驗(yàn)證誤差的方法構(gòu)造出組合近似模型以提高近似模型預(yù)測(cè)能力及預(yù)測(cè)精度。李庚旺[3]等人用大渦模擬方法計(jì)算湍流穿透工況下管道內(nèi)流場(chǎng)各物理量的時(shí)空演變規(guī)律，建立瞬態(tài)熱流固耦合計(jì)算過程，最終得到T型管的疲勞壽命。徐夢(mèng)娜[4]研究了不同流動(dòng)工況下管內(nèi)相分離變化規(guī)律，比較了壓降預(yù)測(cè)模型與數(shù)值模擬結(jié)果的一致性。本文為了適應(yīng)不同工況衍生出不同類型的T型管，利用流體計(jì)算力學(xué)仿真軟件，仿真研究了三種T型管模型的空氣輸送過程，分析了五種流場(chǎng)入口速度下的管內(nèi)穩(wěn)態(tài)靜壓壓力分布、總壓壓力分布以及管內(nèi)空氣流場(chǎng)跡線分布情況，從而獲得三種T型管的輸送能量耗散和管道沖擊情況。以此為依據(jù)對(duì)三種常用的T型管在管道輸送方面的性能進(jìn)行研究對(duì)比。

2 T型管模型建立及網(wǎng)格劃分

建立T型管三維模型和網(wǎng)格，如圖1所示，在直角模型拐角處進(jìn)行倒圓角，建立了圓角模型;再改變T型管三通交匯處的結(jié)構(gòu)，利用球形結(jié)構(gòu)增大空間，建立了球形模型圖。T型管尺寸為水平入口1至垂直支管長(zhǎng)200mm，垂直支管即入口2長(zhǎng)度150mm，入口1至出口總長(zhǎng)2600mm。

3 T型管空氣輸送仿真

3.1 仿真方案

基于T型管模型網(wǎng)格，采用流體計(jì)算力學(xué)軟件進(jìn)行空氣輸送仿真，以管內(nèi)靜壓、總壓和流體跡線為依據(jù)，以管道沖擊、能量耗散和支管溢出量為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以期獲得不同結(jié)構(gòu)的T型管流場(chǎng)性能，仿真參數(shù)如表1所示。

3.2 直角T型管管內(nèi)壓力分析

不同速度直角T型管模型總壓壓力分布如圖2所示，圖中不同速度直角模型總壓分布圖可知，入口2動(dòng)壓分布最為復(fù)雜，流體從入口1進(jìn)入T型管至出口的過程中，部分流體會(huì)從垂直入口2出T型管，使得交叉處管阻力增大，不利于流體流出。

3.3 圓角T型管管內(nèi)壓力分析

不同速度圓角T型管模型總壓壓力分布如圖3所示，圖中入口2動(dòng)壓分布最為復(fù)雜，流體從入口1進(jìn)入T型管至出口的過程中，部分流體會(huì)從垂直入口2出T型管，使得交叉處管阻力增大，不利于流體流出。同時(shí)和直角T型管相比圓角T型管由于圓角的緩沖作用使得流體進(jìn)入入口2的阻力變小，從而造成更多流體進(jìn)入入口2最終流體對(duì)管壁的壓力更大。所以總壓云圖進(jìn)一步兩模型相比較直角T型管模型為較優(yōu)模型。

3.4 球形模型管內(nèi)壓力分布分析

不同速度球形模型的總壓壓力分布情況如圖4所示，圖中入口2動(dòng)壓分布最為復(fù)雜，流體從入口1進(jìn)入T型管至出口的過程中，部分流體會(huì)從垂直入口2出T型管，使得交叉處管阻力增大，不利于流體流出。且存在流體滯留在球體內(nèi)部導(dǎo)致流體流出量減少。不同速度時(shí)流體在交叉處對(duì)管壁的沖擊都是存在的且和直角模型相比較更大，嚴(yán)重降低管壁的使用壽命。所以，球形T型管交叉處結(jié)構(gòu)較直角T型管相比更加不合理。

4 結(jié)語

T型管道模型結(jié)構(gòu)性能分析，主要利用給氣流增壓，使氣流能量增加，將流體輸送到目標(biāo)位置的過程。經(jīng)過靜壓壓力云圖、動(dòng)壓壓力云圖和跡線圖的對(duì)比分析可以知道在管道的沖擊的和能量的耗散方面直角T型管道的模型比較占據(jù)優(yōu)勢(shì)，在溢出量方面直角T型管道模型略高于球形T型管道模型但是球形T型管道模型由于流體在球體內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)耗散，導(dǎo)致了流出量的減少。

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910320151Y）。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓方軍，孫鑫，張?jiān)?T型三通管內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].新疆水利，2010（04）：1-3.

[2]李東營(yíng). T型管液壓成形加載路徑的組合近似模型優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2018.

[3]李庚旺，張騏，陳爽，歐陽斌，盧濤.T型管湍流穿透現(xiàn)象的熱流固耦合疲勞分析[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，47（04）：81-88.

[4]徐夢(mèng)娜. T型管內(nèi)霧狀兩相流相分離及壓降特性數(shù)值研究[D].山東大學(xué)，2017.