尚星航 季日臣

摘要：三通管是輸配水系統(tǒng)中常用的形式。在同一邊界條件下選用規(guī)格為30°、45°、60°、90°夾角三通管，采用不同匯流速度比，結(jié)合CFD數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析計(jì)算，得到三通管道輸水時(shí)局部水頭損失系數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明：局部阻力系數(shù)在雷諾數(shù)大于3×105之后基本保持穩(wěn)定；在同一流速比下直管-主管流向的局部水頭損失主要是由流速梯度變化和直管渦流運(yùn)動(dòng)造成的；當(dāng)角度為90°時(shí)，引發(fā)的水流回流撞擊比較強(qiáng)烈，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量減少三通管夾角的大小以減少能量損失，提高過(guò)流能力。

關(guān)鍵詞：匯流三通管；局部阻力系數(shù)；分流比；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV134文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：51669010）。

0引言

近年來(lái)在急速凸顯的節(jié)水灌溉技術(shù)中，滴灌、噴灌等新型技術(shù)節(jié)水效果明顯，尤其在甘肅、新疆、寧夏等地，其節(jié)水效率比普通灌提高近50%。目前，隨著三通管在多項(xiàng)灌溉技術(shù)中的應(yīng)用增多，三通管已經(jīng)逐漸成為輸水系統(tǒng)中一種常見(jiàn)的輸水設(shè)施。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三通管進(jìn)行了廣泛研究：陳江林等[1]通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對(duì)T型三通管水流的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，得到了不同分流比、管徑比對(duì)水頭損失系數(shù)的影響；許虎等[2]通過(guò)對(duì)不同出口夾角下的斜直三通管進(jìn)行數(shù)值模擬得到不同入口雷諾數(shù)、斜直三通管主管與支管間夾角、局部水頭損失系數(shù)三者之間相關(guān)關(guān)系；石喜[3]等通過(guò)對(duì)不同PVC三通管進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，揭示了內(nèi)部流場(chǎng)分布特性及局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)、管徑比的變化關(guān)系；李玲等[4]對(duì)三岔管內(nèi)水流的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，分析初步得出岔管內(nèi)能量損失的一些特性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)分岔管道還進(jìn)行了大量的研究[5～10]，但國(guó)內(nèi)研究主要集中在分流三通管的阻力、流場(chǎng)特性和在不同流態(tài)下的沿程水頭損失或局部水頭損失以及阻力系數(shù)的變化，而對(duì)匯流三通管研究頗少，而且顯而易見(jiàn)僅利用試驗(yàn)與理論來(lái)分析此類(lèi)問(wèn)題，會(huì)變得繁瑣而困難。本論述采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)（CFD），運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型，進(jìn)行不同角度、流速下三通管的阻力特性和流場(chǎng)可視化分析，研究引起阻力、流場(chǎng)特征變化及局部水頭損失的原因。

1模型與方法

1.1湍流數(shù)學(xué)模型建立

Fluent提供的湍流模型包括：?jiǎn)畏匠棠Ｐ汀㈦p方程模型及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬。標(biāo)準(zhǔn)模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程。湍動(dòng)能輸運(yùn)方程是通過(guò)精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過(guò)物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型只適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬。

1.2Gambit建立幾何模型及網(wǎng)格劃分

因模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為考慮各部分網(wǎng)格之間的耦合問(wèn)題，Gambit的自動(dòng)功能無(wú)法完成，所以本論述對(duì)模型進(jìn)行了處理，將模型切割分成幾個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將各部分的網(wǎng)格連成一個(gè)完整的模型，對(duì)流道突變的地方進(jìn)行更密的網(wǎng)格劃分。

研究建立模型以及網(wǎng)格劃分、邊壁處理都在Fluent的前處理軟件Gambit軟件進(jìn)行。三種規(guī)格的三通管均采用混合網(wǎng)格，在三通管分岔處采用網(wǎng)格局部加密，進(jìn)行處理效果較好的Hex/Wedge與Cooper網(wǎng)格，其余部位劃分采用Tet/Hybrid與TGrid結(jié)合。30°、45°、60°、90°三通管網(wǎng)格數(shù)分別為4.18×105、4.26×105、4.45×105、4.61×105，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2三通管計(jì)算與阻力特性分析

2.1三維模型局部阻力系數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)三通管豎直管為供水進(jìn)水口主管的工況，分別進(jìn)行30°、45°、60°、90°T型三通管試驗(yàn)，探討不同匯流流速比下三通管局部阻力系數(shù)ξ1、ξ2隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式見(jiàn)表1所列；

式中：

Δp1——主管三通管截面；

Δp2——側(cè)管三通管截面；

vo——主管三通管匯流后水流流出速度；

S0——主管三通管截面；

S2——側(cè)管三通管截面；

Qo——主管流出三通管流量；

Q2——側(cè)管流入三通管流量。

2.2阻力系數(shù)計(jì)算成果及阻力特性分析

圖2、圖3分別給出了不同匯流速度比下90°、60°、45°、30°三通管局部阻力系數(shù)ξ1、ξ2隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，四種不同角度的三通管中：90°三通管的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而呈減小趨勢(shì)；60°、45°、30°三通管的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而增大。本實(shí)驗(yàn)中雷諾數(shù)最小值為2.3×105，水流此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)處于紊流。粘性流體處于紊流狀態(tài)時(shí)，當(dāng)雷諾數(shù)大于一定程度后，基本不影響流動(dòng)狀態(tài)和流速分布，此時(shí)流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，阻力系數(shù)基本保持穩(wěn)定，由結(jié)果看出當(dāng)雷諾數(shù)Re≥3×105時(shí)，四種三通管的局部阻力系數(shù)變化幅度不大，幾乎處于平穩(wěn)狀態(tài)?？梢哉J(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入阻力平方區(qū)。

圖4、圖5給出了同一匯流速度比下，四種不同角度的壓力云圖和流線圖，可以看出：水流由直管進(jìn)入主管時(shí)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎處形成渦流和環(huán)流較為明顯，管內(nèi)流態(tài)變得極不穩(wěn)定，由于水流方向垂直，相互碰撞，能看到明顯的旋渦運(yùn)動(dòng)。當(dāng)三通管分岔口角度為90°時(shí)，尺度極大，引發(fā)的水流回流撞擊也比較強(qiáng)烈；當(dāng)三通管分岔口角度為60°時(shí)，流速梯度減弱，水流之間的碰撞速率降低，旋渦運(yùn)動(dòng)變小；當(dāng)三通管分岔口角度為45°和30°時(shí)水流流速平順，流速分布比較均勻，未出現(xiàn)較大的流速梯度，也未形成渦流。通過(guò)分析可得：直管-主管流向的局部水頭損失主要是由流速梯度變化和直管渦流運(yùn)動(dòng)造成；隨著角度的減小，流速梯度減弱，管內(nèi)水流流速趨于平順，渦流運(yùn)動(dòng)變小。

4結(jié)論

（1）在不同匯流速度比下90°、60°、45°、30°三通管局部阻力系數(shù)ξ1、ξ2隨雷諾數(shù)的增大而趨于穩(wěn)定，在雷諾數(shù)大于3×105時(shí)認(rèn)為局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，具體如表2、表3、表4、表5、表6所列。

（2）三通管夾角為90°時(shí)，引發(fā)的水流回流撞擊比較強(qiáng)烈，造成較大的能量損失，隨著角度的減小，流速梯度減弱，管內(nèi)水流流速趨于平順，渦流運(yùn)動(dòng)變小，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)減少三通管夾角的大小以減少能量損失，提高過(guò)流能力。

（3）直管-主管流向的局部水頭損失主要是由流速梯度變化和直管渦流運(yùn)動(dòng)造成。

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