陳致明 劉少峰

（中國城市建設研究院有限公司蘭州分院， 甘肅 蘭州 730000）

三通管件是一種管道連接件，其主要使用在管道中存在有分支的地方，三通管件在建筑、機械制造、化工等工業(yè)領域中的應用廣泛[1]。在建筑行業(yè)，三通的使用非常頻繁。因為三通管件的特殊結構，使其相較于其他的管道附件，流體流經(jīng)時會產生更多的水頭損失，對能量的損耗較大，公共建筑節(jié)能好壞直接影響到整個建筑節(jié)能工程[2]。

三通的生產工藝復雜，影響質量和性能的因素多。在實際服役過程中，三通不僅承受內壓，還往往受到彎矩、扭矩、軸向力的作用。由于三通管件的幾何結構和所受外載的復雜性，導致其往往成為管系中應力集中較高的危險部位[3]。研究在三通管件匯水處加設導流片的方法，改善來自不同方向流體匯水后的水力特性，并且在此過程中獲得改善三通附件結構的更優(yōu)方案，以降低流體流經(jīng)此處的水頭損失[4]。

1 模型的確定

1.1 連續(xù)性方程

三通管件內的液體流動看作為單相流，滿足流體力學中的連續(xù)性運動方程，即以選定的控制體為研究對象，在單位時間內流入控制體的流體質量等于流出控制體的流體質量。其表達式如下：

式中：ρ為流體的密度，單位為kg/m3；ux，uy，uz為流體在x、y 和z 方向上的速度分量，單位為m/s。

1.2 湍流模型

湍流模型采用標準K-ε方程模型，其湍動能k 和耗散率ε的方程如下：

式中Gk是由平均溫度梯度引起的湍動能；Gb是由浮力影響引起的湍動能；Ym是可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；是湍流黏性系數(shù)。

在 Fluent 中，作為默認值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε= 1.92，C3ε=0.09，湍動能k 和耗散率ε的湍流普朗特常數(shù)分別為σk=1.0，σz=1.3

1.3 計算模型

本文以三通管件為研究對象，其固體材料設置為steel，管道內流體均為液態(tài)水，其三維模型如圖 1 所示。本研究的數(shù)值計算通過ANSYS Workbench 12.1 軟件完成。首先進行三通附件的3D 建模和網(wǎng)格劃分[3-4]，網(wǎng)格劃分見圖2。以此模型為研究基礎，進行三通管件流體匯流后水利特性的數(shù)值模擬和結構改善。

圖1 三通管件三維圖（剖面）

圖2 網(wǎng)格劃分

2 三通管件中流體匯流后水力特性的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型

本研究以流體為為研究對象，假定為不可壓縮流體，湍流方程選用標準 Kε 方程，數(shù)值計算時，入口條件選擇流體速度為2m/s，出口條件為自由出口。

2.2 三通管件結構的改善

為減少三通管件匯水處的水頭損失，本研究對三通管件匯水處的結構進行改造。由質量守恒方程可知，對某一控制體中固定的流量，流體流經(jīng)管道的速度與管道的橫截面面積成反比，即減小管道的橫截面面積，流體在此管道中的流速將會增加。當管道內的流體的流速增加時，根據(jù)水頭損失公式可知，水頭損失的大小與流速的二次方成正比[5]。因此在三通管件內設置導流片時，本研究中設置導葉片數(shù)為一個，以防止流體的流速受到較大的影響[6]。

2.3 導流片的結構優(yōu)化

進行數(shù)值模擬時，設計所增加導流片的材質與三通管件的材質相同，均為結構鋼。首先，嘗試在三通管件匯水處設置一導流片，導流片為相切于三通管件測管內壁面的四分之一圓。這種設置方法可以對數(shù)值模擬結果進行直接分析，從而獲得最優(yōu)的結構改善方案。本研究所設置的導流片形狀及導流片布置示意圖如圖 3 所示。

圖3 加設導流片的三通管件

2.4 模擬結果分析

本研究旨在優(yōu)化三通管件匯水處的結構，以達到降低此處水頭損失。通過分析優(yōu)化模型與未改造的模型的數(shù)值模擬結果，選出三通管件的最優(yōu)結構方案。此處對流體流經(jīng)三通管件的速度和壓力的模擬結果進行分析。

2.4.1 對速度模擬結果的分析

對比分析加導流片后的三通管件與原三通管件速度云圖如圖4 和圖5 所示。觀察發(fā)現(xiàn)，兩者出口處最大的流速均為5.2m/s，增加導流片后對三通管件匯水后的最大流速并沒有影響。在增加導流片后，匯水管中流速在2.9-5.2m/s 之間的流體所占比例為40%以上，而在未設導流片的原三通管件中流速在2.7-5m/s 之間的流體所占比例不足30%，因此，增加導流片后，流體匯水后的速度分布更加的均勻。且增加導流片后，三通管件中支管內流體的流速所受匯水后的水力影響更小。

圖4 加設導流片的速度云圖

圖5 原三通管件橫向速度云圖

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)，增加導流片后管中的水流狀況有較大的改善，為更加清晰的看到增加導流片對匯水后的流速影響，現(xiàn)對比分析在增加導流片前后，在三通管件中的橫向與豎向的速度分布狀況。

圖6 加設導流片的橫向速度云圖

圖7 原三通管件橫向速度云圖

對比分析加設導流片的三通管件與原三通管件的橫向速度云圖如圖6 和圖7所示。從圖中可知，出口處的橫向最大速度均為5m/s，加設導流片對匯水后的橫向速度無影響。在加設導流片的三通管件中，橫向速度增加至最大速度較快。兩三通管件的縱向速度梯度相差較小，且兩模型在匯水拐角處貼近出水管上壁面處均有回流，說明二者均在此處產生有旋渦，即在此處為能量損失的主要部位，且速度均在1.1-1.9m/s 之間，兩模型在產生回流現(xiàn)象的區(qū)域相差較小，說明增加導流片對三通管件中橫向速度的影響主要為導流片后水流橫向速度的增加速度。

圖8 加設導流片的縱向速度云圖

圖9 原三通管件縱向速度云圖

對比分析加設導流片的三通管件與原管件的縱向速度云圖如圖8 和圖9 所示。加設導流片對匯水入口處的縱向速度影響不大，僅在導流片背面出現(xiàn)向下的縱向速度，以實現(xiàn)流經(jīng)此處的流體轉向流入?yún)R水管中。從圖9 中可以看出，在出流口處出現(xiàn)向上的大小為4m/s 的縱向速度，而在加設導流片的三通管件中無此現(xiàn)象。說明在加設導流片的三通管件匯水管中為層流，縱向無流體位移，而在原三通管件匯水管中為紊流。即在原三通管件匯水管中的水頭損失更大。

2.4.2 對壓力模擬結果的分析

對比分析加導流片后的三通管件與原三通管件壓力云圖如圖10 和圖11 所示。觀察發(fā)現(xiàn)，兩者出口處最大壓力均為1kpa，增加導流片后對三通管件匯水后的壓力無影響。增加導流片后對三通管件匯水處的壓力有較大影響，在進口流速均為2m/s 的情況下，加設導流片后，三通管件支管所需的壓力降低為7kpa，而橫管所需壓力上升至13kpa，而在未設導流片的原三通管件的進水管道所需壓力均在10kpa，因此，增加導流片后，進水管流體所需的壓力將發(fā)生變化。

圖10 加設導流片的壓力云圖

圖11 原三通管件壓力云圖

3 結論

三通管件是生產和生活中常用的管道附件。為改變流體三通管件匯水時的水頭損失，筆者提出了在三通管件匯水處加設導流片的改造方案。本研究的結論如下：

（1）增加導流片后對三通管件匯水后的最大流速并沒有影響，且流體匯水后的速度分布更加的均勻。

（2）加設導流片對匯水后的橫向速度無影響。在加設導流片的三通管件中，橫向速度增加至最大速度較快

（3）在加設導流片的三通管件匯水管中為層流，縱向無流體位移，而在原三通管件匯水管中為紊流，原三通管件匯水管中的水頭損失更大。

（4）增加導流片后，進水管流體所需的壓力發(fā)生變化，三通管件支管所需的壓力降低，而橫管所需壓力上升。