不同安裝角度的大管道出水管路流動(dòng)數(shù)值分析

王 赟，龔進(jìn)軍，石 磊

（中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，福建 福州 350000）

冷水出水管路是應(yīng)用于建筑制冷機(jī)房中循環(huán)冷水泵系統(tǒng)的管道結(jié)構(gòu)形式，通常用來連接多臺(tái)循環(huán)水泵及匯流冷水，不同管道三通的安裝角度影響流體流動(dòng)過程的壓力損失。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的方法研究不同結(jié)構(gòu)管道湍流流動(dòng)，受到經(jīng)濟(jì)成本制約、實(shí)驗(yàn)儀器的精度及不穩(wěn)定狀況影響[1-2]。

CFD 數(shù)值方法用于流體流動(dòng)模擬、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算受到重視，國內(nèi)外學(xué)者多依靠模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行管道內(nèi)部流動(dòng)特性研究，PARK[3]等利用CFD 對(duì)噴水管道的流動(dòng)性能進(jìn)行模擬，管道壁面壓力分布計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合；曹海兵等[4]分析了直徑為T 形、Y 形和圓弧型三通管內(nèi)流體流動(dòng)狀況和阻力性能，模擬結(jié)果表明圓弧型三通的水頭損失最小。

針對(duì)建筑制冷機(jī)房內(nèi)大管道三通安裝角度對(duì)管路流體流動(dòng)的影響，本文依據(jù)某項(xiàng)目實(shí)際管道規(guī)格建立三維管路模型，對(duì)管道三通不同安裝角度（90°、60°、45°、30°）流體流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，得到速度變化規(guī)律及流場分布特性，為實(shí)際工程中大管道安裝提供理論參考。

1 物理模型建立

循環(huán)水泵冷水管路的匯流，分為流體進(jìn)口管段、三通管段、流體出口管段。本文在進(jìn)行三維管道建模時(shí)，進(jìn)口管段和出口管段直徑分別為D1=350 mm、D2=600 mm，主管道長度為L=7.3 m，進(jìn)口管段高度H=4.0 m。計(jì)算區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散化，幾何模型及局部網(wǎng)格劃分如圖1所示。

為了考察管道三通安裝角度變化對(duì)管道流動(dòng)性能的影響，選取4 個(gè)不同的角度θ設(shè)計(jì)方案，分別為90°、60°、45°和30°，對(duì)流場分布特性進(jìn)行研究分析。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，本文均勻選取靠近出口處X=7 m 截面五點(diǎn)速度值，如圖2所示，獲得出口截面的速度標(biāo)準(zhǔn)差值，用來反映截面遠(yuǎn)壁面流速的分布情況，計(jì)算公式為：

圖1 大管道三通安裝角度θ 幾何模型

圖2 截面X=7 m 速度值取值方案

2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)管道流體的特點(diǎn)作如下假設(shè)：流體為不可壓縮流體，且物性參數(shù)保持不變；忽略重力的影響。

本文的模擬計(jì)算過程涉及兩種邊界條件：速度入口和壓力出口，流體材料為液態(tài)水，入口速度大小取2.5 m/s，方向垂直于進(jìn)口截面。模型求解方法采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，采用二階迎風(fēng)差分法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，壓力和速度的耦合方式采用SIMPLE 算法，各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果收斂至10-5。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 速度場分布

進(jìn)口流速為V=2.5 m/s，截取管段截面Z=0 m，分析流體在不同安裝角度的三通管道結(jié)構(gòu)中速度的變化，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，流體在進(jìn)入管道時(shí)速度分布是整體一致的，安裝三通角度由90°變化至30°，出口處2.3 m/s 速度云線由X=5 m 延伸至X=7.5 m。模擬獲得四種出口流速均為1.71 m/s，角度θ越小，出口流場沿管中心的對(duì)稱性越好，即管壁到管中心速度形成增加的梯度，說明流體受到垂直干擾的影響較小。主要是因?yàn)橹Ч軈R流進(jìn)入干管時(shí)，安裝角度θ越小，管道角度對(duì)流體流動(dòng)起到導(dǎo)向作用，支管流體匯入時(shí)減輕對(duì)主管的沖擊，不易產(chǎn)生渦流和死角。

圖3 不同安裝角度截面Z=0 m 處速度分布云圖

3.2 速度矢量圖

不同安裝角度截面Z=0 m 處流場矢量如圖4所示，可以看出，安裝角度大于45°的管道流動(dòng)過程中，遠(yuǎn)離出口的左側(cè)支管（X=0.5 m）在匯流入主管后，在下壁面處形成渦旋對(duì)流體的擾動(dòng)較大；安裝角度大于60°時(shí)，左右兩支管在匯流處均形成渦旋。壁面的剪切力使得流動(dòng)方向垂直于壁面，與水平橫向流體碰撞后匯流，易引起湍流動(dòng)能損失。

3.3 出口截面流速標(biāo)準(zhǔn)差

按照取值方案分別獲得四種安裝角度下出口處截面X=7 m 遠(yuǎn)壁面的模擬速度值，截面平均流速為1.71 m/s，計(jì)算得到如圖5所示速度標(biāo)準(zhǔn)差值。在90°和60°安裝角度下，標(biāo)準(zhǔn)差值均較小，說明截面內(nèi)流速基本趨于一致。隨著角度減小，標(biāo)準(zhǔn)差值增加至0.39，流速值均偏離且大于平均值1.71 m/s，則近壁面流速較小。

4 結(jié)論

大管道出水管路安裝角度大于45°時(shí)，遠(yuǎn)離出口的支管在匯流入干管處壁面易形成渦流，使得流動(dòng)方向垂直于壁面，與橫向流體產(chǎn)生重裝易引起能量損失，出口截面內(nèi)遠(yuǎn)壁面流速基本趨于1.71 m/s。

圖4 不同安裝角度截面Z=0 m 處速度矢量圖

圖5 不同安裝角度X=7 m 截面取值速度標(biāo)準(zhǔn)差值

安裝角度為30°時(shí)，管道角度對(duì)流體流動(dòng)起到導(dǎo)向作用，流體匯入減輕對(duì)主管的沖擊，在流動(dòng)方向基本沒有產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，不易損失湍流動(dòng)能。且出口截面內(nèi)流速遠(yuǎn)壁面流速均大于1.71 m/s，只在近壁面流速梯度較大。