基于CFD的汇流三通管阻力特性与流场可视化分析

2021-09-09尚星航季日臣

甘肃科技纵横 2021年3期

尚星航季日臣

摘要：三通管是输配水系统中常用的形式。在同一边界条件下选用规格为30°、45°、60°、90°夹角三通管，采用不同汇流速度比，结合CFD数值模拟软件进行分析计算，得到三通管道输水时局部水头损失系数变化规律。结果表明：局部阻力系数在雷诺数大于3×105之后基本保持稳定；在同一流速比下直管-主管流向的局部水头损失主要是由流速梯度变化和直管涡流运动造成的；当角度为90°时，引发的水流回流撞击比较强烈，实际应用中应尽量减少三通管夹角的大小以减少能量损失，提高过流能力。

关键词：汇流三通管；局部阻力系数；分流比；数值模拟

中图分类号：TV134文献标志码：A

基金项目：国家自然基金资助项目（项目编号：51669010）。

0引言

近年来在急速凸显的节水灌溉技术中，滴灌、喷灌等新型技术节水效果明显，尤其在甘肃、新疆、宁夏等地，其节水效率比普通灌提高近50%。目前，随着三通管在多项灌溉技术中的应用增多，三通管已经逐渐成为输水系统中一种常见的输水设施。多年来，国内外学者对三通管进行了广泛研究：陈江林等[1]通过试验研究和数值模拟对T型三通管水流的流动特性进行分析，得到了不同分流比、管径比对水头损失系数的影响；许虎等[2]通过对不同出口夹角下的斜直三通管进行数值模拟得到不同入口雷诺数、斜直三通管主管与支管间夹角、局部水头损失系数三者之间相关关系；石喜[3]等通过对不同PVC三通管进行了试验与数值模拟研究，揭示了内部流场分布特性及局部阻力系数与雷诺数、管径比的变化关系；李玲等[4]对三岔管内水流的流动进行数值模拟与实验研究，分析初步得出岔管内能量损失的一些特性。

国内学者对分岔管道还进行了大量的研究[5～10]，但国内研究主要集中在分流三通管的阻力、流场特性和在不同流态下的沿程水头损失或局部水头损失以及阻力系数的变化，而对汇流三通管研究颇少，而且显而易见仅利用试验与理论来分析此类问题，会变得繁琐而困难。本论述采用计算流体动力学技术（CFD），运用标准k-ε紊流模型，进行不同角度、流速下三通管的阻力特性和流场可视化分析，研究引起阻力、流场特征变化及局部水头损失的原因。

1模型与方法

1.1湍流数学模型建立

Fluent提供的湍流模型包括：单方程模型、双方程模型及雷诺应力模型和大涡模拟。标准模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此，标准模型只适合完全湍流的流动过程模拟。

1.2Gambit建立几何模型及网格划分

因模型内部结构复杂，为考虑各部分网格之间的耦合问题，Gambit的自动功能无法完成，所以本论述对模型进行了处理，将模型切割分成几个部分进行网格划分，然后将各部分的网格连成一个完整的模型，对流道突变的地方进行更密的网格划分。

研究建立模型以及网格划分、边壁处理都在Fluent的前处理软件Gambit软件进行。三种规格的三通管均采用混合网格，在三通管分岔处采用网格局部加密，进行处理效果较好的Hex/Wedge与Cooper网格，其余部位划分采用Tet/Hybrid与TGrid结合。30°、45°、60°、90°三通管网格数分别为4.18×105、4.26×105、4.45×105、4.61×105，网格划分如图1所示。

2三通管计算与阻力特性分析

2.1三维模型局部阻力系数计算方法

根据三通管竖直管为供水进水口主管的工况，分别进行30°、45°、60°、90°T型三通管试验，探讨不同汇流流速比下三通管局部阻力系数ξ1、ξ2随雷诺数的变化趋势，计算公式见表1所列；

式中：

Δp1——主管三通管截面；

Δp2——侧管三通管截面；

vo——主管三通管汇流后水流流出速度；

S0——主管三通管截面；

S2——侧管三通管截面；

Qo——主管流出三通管流量；

Q2——侧管流入三通管流量。

2.2阻力系数计算成果及阻力特性分析

图2、图3分别给出了不同汇流速度比下90°、60°、45°、30°三通管局部阻力系数ξ1、ξ2随雷诺数的变化趋势。从图中可以看出，四种不同角度的三通管中：90°三通管的阻力系数随雷诺数的增大而呈减小趋势；60°、45°、30°三通管的阻力系数随雷诺数的增大而增大。本实验中雷诺数最小值为2.3×105，水流此时的流动状态处于紊流。粘性流体处于紊流状态时，当雷诺数大于一定程度后，基本不影响流动状态和流速分布，此时流动处于阻力平方区，阻力系数基本保持稳定，由结果看出当雷诺数Re≥3×105时，四种三通管的局部阻力系数变化幅度不大，几乎处于平稳状态。可以认为已经进入阻力平方區。

图4、图5给出了同一汇流速度比下，四种不同角度的压力云图和流线图，可以看出：水流由直管进入主管时，经过转弯处形成涡流和环流较为明显，管内流态变得极不稳定，由于水流方向垂直，相互碰撞，能看到明显的旋涡运动。当三通管分岔口角度为90°时，尺度极大，引发的水流回流撞击也比较强烈；当三通管分岔口角度为60°时，流速梯度减弱，水流之间的碰撞速率降低，旋涡运动变小；当三通管分岔口角度为45°和30°时水流流速平顺，流速分布比较均匀，未出现较大的流速梯度，也未形成涡流。通过分析可得：直管-主管流向的局部水头损失主要是由流速梯度变化和直管涡流运动造成；随着角度的减小，流速梯度减弱，管内水流流速趋于平顺，涡流运动变小。

4结论

（1）在不同汇流速度比下90°、60°、45°、30°三通管局部阻力系数ξ1、ξ2随雷诺数的增大而趋于稳定，在雷诺数大于3×105时认为局部阻力系数与雷诺数无关，具体如表2、表3、表4、表5、表6所列。

（2）三通管夹角为90°时，引发的水流回流撞击比较强烈，造成较大的能量损失，随着角度的减小，流速梯度减弱，管内水流流速趋于平顺，涡流运动变小，在实际应用中应减少三通管夹角的大小以减少能量损失，提高過流能力。

（3）直管-主管流向的局部水头损失主要是由流速梯度变化和直管涡流运动造成。