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不同工况下对向汇流三通的CFD数值模型

发表时间：2021/5/7 来源：《基层建设》2021年第1期作者：施璐1 邹方茂2

[导读] 摘要：三通在电力及工业汽水管道中具有广泛的应用，本文通过CFD数值模拟的方法，模拟出了三种不通过流量工况下的流场情况，计算得到了其阻力系数，并将计算结果与公式计算结果进行了对比分析，对工程实际三通选型及工况选择具有指导意义。

        1中冶南方都市环保工程技术股份有限公司武汉；
        2中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司武汉
        摘要：三通在电力及工业汽水管道中具有广泛的应用，本文通过CFD数值模拟的方法，模拟出了三种不通过流量工况下的流场情况，计算得到了其阻力系数，并将计算结果与公式计算结果进行了对比分析，对工程实际三通选型及工况选择具有指导意义。
        关键词：三通；对向汇流；不同工况；CFD数值模拟；
        1.计算模型与数值方法
        1.1 模型及计算流域

        图1 流域几何模型示意图
        计算流域：在三通基础上，入口延长3倍入口直径Din，出口延长20倍出口直径Dout。
        1.2 工况参数
        表1 工况参数表

        1.3 网格模型及边界条件
        本次模拟网格采用正六面体结构化网格，网格数为330万；选用的湍流模型为Realizable k-epsilon模型，标准壁面函数；入口边界条件采用速度入口Velocity-inlet；出口采用压力出口Pressure-outlet。
        2.流场定性分析
        由于三种流量工况下的流场分布趋势一致，因此，以下仅给出了100%流量工况下的部分截面流线图及压力云图。
        从中心面的流线图可以明显看出，三通底部存在较大的低速漩涡区，产生的主要原因在于两股流体对冲汇流，可以初步判断该区域应该是流动阻力产生的主要区域。

        图2 截面流线图及压力云图
        从各出口截面的流线图可以发现存在明显的二次流漩涡，这种漩涡也是引起流动阻力增加的一个重要方面。此外，随着距离的增加，出口截面上的二次流漩涡逐渐减少，流场分布逐渐变均匀。
        综合以上两方面，个人认为三通局部阻力主要来源于三通底部对冲汇流漩涡以及出口二次流漩涡。对冲汇流漩涡与二次流漩涡应该存在较大的关联性，前者是因，后者是果。因此，减阻措施应该重点放在减少三通底部对冲汇流漩涡上面。
        3.流场定量分析
        3.1 出口总压沿程变化趋势

        图2 出口截面总压值沿程变化趋势图
        从图2中可以看出，在0~10Dout之间，出口截面上的总压值随距离呈对数曲线下降；10Dout~20Dout之间，出口截面总压值呈线性下降。可以推断，距离三通出口10Dout之后的阻力主要来自于沿程阻力，亦即三通对于下游的影响范围可能在10Dout左右。因此，当计算模型较大，网格数较多时，可以适当考虑减小出口延长直段长度。
        3.2 管件局部阻力系数计算
        表2 局部阻力值与阻力系数

上表中局部阻力是指计算流域进出口之间的总压差减去三通进出口直段的沿程阻力值，故局部阻力系数为去除进出口直段沿程阻力影响后的三通局部阻力系数。表中计算局部阻力系数时采用的是三通入口截面平均速度。表中公式法计算得到的基础方案的局部阻力系数采用的是DL/T 5054-2016《火力发电厂汽水管道设计规范》中的背向分流三通局部阻力系数公式D.3.1-8计算得到等径三通的局部阻力系数加上表D.3.1-12中相应异径管的局部阻力系数。