朱海荣 卢红亮 崔海亭 邓小叶

摘要：为研究斜三通管内流体的流动与传热过程，应用CFD软件Fluent分别对管间夹角θ为20°～ 90°、流速比λ为2～3.5以及支管位置l为500～1 000 mm的斜三通内流体的流动与传热过程进行了数值模拟，并通过正交试验设计对影响三通壁面平均换热系数的各参数进行了敏感性分析。结果表明，随着θ和λ的增大，三通出口处流体最大速度逐渐增大，其中λ的影响更为显著;壁面平均换热系数随θ和λ的增大而增大，随l的减小而增大;支管位置l主要影响壁面平均换热系数，对最大速度的影响可忽略不计。按照影响壁面平均换热系数作用的强弱，支管位置l >流速比λ>管间夹角θ，即支管越靠近主管进口、流速比越大、管间夹角越大，则壁面换热效果越好。因此，支管位置是影响斜三通壁面传热效果的首要因素。

关键词：节能技术;斜三通;流动与传热;管间夹角;流速比;支管位置

中图分类号：TQ018文献标志码：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、油及各种液体化工材料的输送管路，广泛应用于医学、水利（节水灌溉、给水排水）、能源动力（石油、天然气、核工业）、建筑等工程领域。三通作为主要的分流部件，当流体流经主管与支管的交汇处时，会在主管道截面上产生二次流动并在支管内产生涡旋结构，不但会导致流体总压和能量的损失，还会降低传热、传质的效率[1-2]。因此，研究三通在不同结构形式下的流动和传热特性以及影响其流动传热性能的主要因素是非常有必要的。

有学者已经对T型三通管内流体流动、传热特性、结构设计等方面进行了一些研究。曹海兵等[3]和侯聪等[4]运用数值模拟的方法分析了等直径的 T 型、Y 型和圆弧型三通管内流体的流动状况和阻力性能。巩启涛等[5-6]通过对三通管内流体速度场和压力场的分析，研究了流速比λ、雷诺数Re、管径比d及管间夹角θ对大管径三通局部阻力的影响。杨康等[7]利用Fluent软件分析了不同的流体参数和管路结构下三通管内流体的速度场、压力场、温度场和湍动能等。韩方军等[8]通过对不同管径直角三通管的分析得出局部水头损失和静压力的变化。王海军等[9]研究了不同流速比下T型三通管内的内壁面传热系数以及内部温度波动。魏显达等[10]通过对三通的速度、温度、压力进行数值模拟对管道进行结构优化和选材优化。陈江林等[11]和卢冬华等[12]通过数值模拟与实验研究分析了三通水头损失的机理及管内流动状态。谷雨等[13]用标准k-ε模型对三通进行三维模拟，分析了管内流体压力和温度的变化。石喜等[14]对PVC 三通管进行了实验与数值模拟研究，分析影响其局部阻力的主要因素。卜琳等[15]、龚旭等[16]数值模拟了斜三通管内流体的流动结构、压力分布与温度分布情况，分析了斜三通几何结构、流动条件和流体温度变化对管内流体流动结构、温度分布及热应力的影响。孙鑫[17]通过对T型三通和圆弧型三通内流体的湍流流动进行数值模拟和实验研究，分析其内部的流场分布，初步研究了三通对大气出流情况下的水头损失率。康朝阳[18]分析了在三通管内流体发生瞬态流动时，流体的速度场、压力场的變化。SELVAM等[19]和GAO等[20]通过数值模拟分析验证了流速比与射流深入主流的程度成正比，在不同区域流体与壁面的换热程度也不同，在射流管与主流管的交汇处温度波动最大。ANDREOPOULOS等[21-22]对当射流垂直入射至主流体中且不同流速比时射流与主流的平均速度、紊动能及平均温度分布情况进行了研究;SHERIF等[23]对当水洞中热水垂直向上注入冷流中且速比为1，4和7时的平均温度及波动温度进行了研究。

现有文献从不同方面研究了三通管内流体流动时温度、压力的分布情况以及阻力和湍流强度的变化规律，但是还缺乏对影响三通管内流体流动传热性能因素的显著性分析，而显著性分析的结果恰恰可以有效指导三通的结构优化和工程应用。本文应用Fluent软件数值模拟了斜三通在不同结构参数（如支管位置l、管间夹角θ）和运行工况（如流速比）下的流体流动状况、速度场与平均换热系数的分布情况，并得到了各参数对三通壁面平均换热系数的影响规律。

1模型的建立

1.1物理模型

平均换热系数是指流体与管壁面的平均对流换热系数，不考虑三通管的管体内外径和壁厚以及其内部的热传导。本文主要研究两股流速、温度不同的流体，分别从主管、支管进入斜三通，在三通管内混合流动并进行传热，最终从主管出口流出的过程。斜三通物理模型如图1所示，主管和支管的管径均为150 mm，主管总管长为1 500 mm，支管管长为500 mm。

1.2网格模型

采用分块划分网格方法，以六面体网格为基本单元，在三通主管和支管交汇处进行网格加密。近壁面第1个网格单元中心至壁面的距离满足壁面函数法的要求。如图2所示，当管间夹角θ=60°，l=750 mm时，三通共划分了 157 666个网格。进一步进行网格无关性验证，计算结果无明显改变，表明此时网格满足计算要求且较为合理。

2控制方程及边界条件

2.1控制方程

3结果与讨论

3.2壁面平均换热系数的影响因素分析

图6为λ=2，l=750 mm时，壁面平均换热系数随θ的变化规律。如图6所示，支管流体的温度较低，θ较小时支管流体与主管流体的混合不明显，两股流体各自平稳地向出口流动，支管壁面的换热系数较大，换热系数最大值出现在支管与主管的交汇处;随着θ的增大，支管流体进入主管后被迫改变方向并与主管流体混合碰撞，产生涡流，两股流体在主管内混合换热，但是主要集中在主管轴线附近，因此壁面平均换热系数略有下降;随着θ的进一步增大，两股流体产生了强烈的回旋涡流，在管道交汇处的湍流混合加剧，从而导致换热系数的大幅度提高;θ=90°时，两股流体垂直相遇，碰撞最为剧烈，引起强烈的能量和动量的交换，此时壁面换热系数达到最大值。同时，由于流动方向的改变而产生的漩涡也引起了水头损失，在θ=90°时支管产生的水头损失最大。

图7所示为θ=45°，λ=2时，壁面平均换热系数随l的变化规律。无论支管位置距离主管进口远近，两股流体交会时的流动状态几乎一样，不同支管位置的壁面平均换热系数最大值基本相同。然而，支管离主管进口越近，支管流体越早与主管流体混合。因此，相同时间内，混合后流体与壁面的对流换热量会随着l的减小而增大。

图8为斜三通壁面平均换热系数变化曲线图。在相同λ下，随着θ的增大，三通壁面平均换热系数先减小后增大，但整体呈上升趋势。在相同θ下，λ越大，壁面换热系数越大。当λ较小时，支管流体汇入主管比较缓慢，两股流体无法形成强烈的混合，近似保持层流状态向出口流動，因此壁面换热系数较小;随着λ的增大，支管流体高速汇入主管，两股流体强烈混合，在交汇处产生了强烈的回旋涡流，两流体的湍流混合加剧，加速了流体间以及流体与壁面间的接触换热，从而使壁面平均换热系数提高。

3.3正交试验分析

对不同参数（支管位置l、管间夹角θ、流速比λ）下三通管内流体的传热过程进行正交试验分析，正交试验方案如表4所示。

表4所列的9组实验结果中，以第3组实验得出的壁面平均换热系数最大，其水平组合为A3B3C3，分别是各影响因素中数值最大的组合。由此可以看出，本实验各因素组合中的最优组合为A3B3C3。

表5为各参数的敏感性分析结果，表中k1，k2，k3为K1，K2，K3的平均值;R为极差，即每个因素下k的最大值与最小值的差值。通过R值的大小可以看出本实验中各参数的影响作用存在显著性顺序，其主次关系为A>C>B，因此影响三通管壁面传热效果的因素依次为支管位置l、支管与主管的流速比λ、管间夹角θ。支管越靠近主管进口、流速比越大、管间夹角越大，则三通壁面的换热效果越好。

4结论

利用Fluent软件数值模拟了三通管内流体的流动传热过程，获得了不同管间夹角、支管位置以及流速比对三通管内流体流动与传热的影响，并运用正交试验设计分析了各参数对壁面换热效果的影响规律，得出以下结论。

1）随着λ和θ的增大，三通出口处流体的最大速度都呈现增大的趋势，且λ对流体最大速度的影响要高于θ;而支管位置l对两股流体交汇时的流动状态影响较小。可见出口流体最大速度主要取决于支管流体的流速。

2）三通壁面的平均换热系数随θ的增大先略有减小后增大，随λ的增大持续增大，随l的减小而逐渐增大，说明θ和λ的增大均能使两股流体的混合更为充分，加剧了能量的交换和热量的传递，使壁面平均换热系数提高;而l的减小意味着支管流体提前汇入主管，相同时间内增大了流体与壁面间的换热量，从而使整个壁面的平均换热系数增大。

3）通过正交试验分析影响三通壁面平均换热系数的因素，按照影响壁面传热效果的程度依次为支管位置l>流速比λ>管间夹角θ。即支管越靠近主管进口、流速比越大、管间夹角越大，壁面的换热效果越好。因此，支管位置是影响斜三通壁面传热效果的首要因素。

4）笔者对全面认识三通管内流体的流动和传热过程提供了参考，然而三通管内流体在交汇时伴随着能量损失和阻力性能的变化，因此在最小能量损失和阻力下研究流体输送和流体与管壁之间的对流换热是未来的一个研究方向。

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