基于流体计算力学的T型管流场性能研究

赵婷婷　杨道龙　夏友涛　黄倩倩　马小雷　王云涛　孙志怡　俞烟婷

摘 要：为了获得三种T型管的输送能量耗散和管道冲击情况，本文利用流体计算力学仿真软件，研究了三种T型管模型的空气输送过程，分析了五种流场入口速度下的管内总压分布分布情况，对比仿真结果得出直角T型管道模型的管道冲击和能量耗散较小但支管溢出量较大，而球形T型管模型的支管溢出量较小但是能量耗散较大，圆角T型管模型的管道冲击、能量耗散和支管溢出量介于二者之间，本文仿真结果为流体输送管路系统中的T型管选择提供参考。

关键词：计算流体力学 有限元仿真 T型管 流场仿真

Research on flow field performance of T-tube based on computational fluid dynamics

Zhao Tingting，Yang Daolong，Xia Youtao，Huang Qianqian，Ma Xiaolei，Wang Yuntao，Sun Zhiyi，Yu Yanting

Abstract：In order to obtain the energy dissipation and pipeline impact of three T-tube models， this paper studies the air transportation process of three T-tube models by using computational fluid dynamics simulation software， and analyzes the total pressure distribution in the pipe under five kinds of flow field inlet velocity. Compared with the simulation results， the right angle T-tube model has smaller pipeline impact and energy dissipation， but larger branch pipe overflow， However， the branch overflow of spherical T-tube model is small， but the energy dissipation is large. The impact， energy dissipation and branch overflow of rounded T-tube model are between the two. The simulation results of this paper provide a reference for the selection of T-tube in fluid transmission pipeline system.

Key words：Computational fluid dynamics， Finite element simulation， T-tube， Flow field simulation

1 引言

T型管也稱三通管，是由直管和支管垂直构成，在流体输送管路系统中经常用作管路分配器。T型管在工业和农业使用非常广泛[1]。李东营[2]以T型三通管液压成形加载路径的优化设计为例，针对预测能力不足、预测精度不高等问题，利用交叉验证误差的方法构造出组合近似模型以提高近似模型预测能力及预测精度。李庚旺[3]等人用大涡模拟方法计算湍流穿透工况下管道内流场各物理量的时空演变规律，建立瞬态热流固耦合计算过程，最终得到T型管的疲劳寿命。徐梦娜[4]研究了不同流动工况下管内相分离变化规律，比较了压降预测模型与数值模拟结果的一致性。本文为了适应不同工况衍生出不同类型的T型管，利用流体计算力学仿真软件，仿真研究了三种T型管模型的空气输送过程，分析了五种流场入口速度下的管内稳态静压压力分布、总压压力分布以及管内空气流场迹线分布情况，从而获得三种T型管的输送能量耗散和管道冲击情况。以此为依据对三种常用的T型管在管道输送方面的性能进行研究对比。

2 T型管模型建立及网格划分

建立T型管三维模型和网格，如图1所示，在直角模型拐角处进行倒圆角，建立了圆角模型;再改变T型管三通交汇处的结构，利用球形结构增大空间，建立了球形模型图。T型管尺寸为水平入口1至垂直支管长200mm，垂直支管即入口2长度150mm，入口1至出口总长2600mm。

3 T型管空气输送仿真

3.1 仿真方案

基于T型管模型网格，采用流体计算力学软件进行空气输送仿真，以管内静压、总压和流体迹线为依据，以管道冲击、能量耗散和支管溢出量为评判标准，以期获得不同结构的T型管流场性能，仿真参数如表1所示。

3.2 直角T型管管内压力分析

不同速度直角T型管模型总压压力分布如图2所示，图中不同速度直角模型总压分布图可知，入口2动压分布最为复杂，流体从入口1进入T型管至出口的过程中，部分流体会从垂直入口2出T型管，使得交叉处管阻力增大，不利于流体流出。

3.3 圆角T型管管内压力分析

不同速度圆角T型管模型总压压力分布如图3所示，图中入口2动压分布最为复杂，流体从入口1进入T型管至出口的过程中，部分流体会从垂直入口2出T型管，使得交叉处管阻力增大，不利于流体流出。同时和直角T型管相比圆角T型管由于圆角的缓冲作用使得流体进入入口2的阻力变小，从而造成更多流体进入入口2最终流体对管壁的压力更大。所以总压云图进一步两模型相比较直角T型管模型为较优模型。

3.4 球形模型管内压力分布分析

不同速度球形模型的总压压力分布情况如图4所示，图中入口2动压分布最为复杂，流体从入口1进入T型管至出口的过程中，部分流体会从垂直入口2出T型管，使得交叉处管阻力增大，不利于流体流出。且存在流体滞留在球体内部导致流体流出量减少。不同速度时流体在交叉处对管壁的冲击都是存在的且和直角模型相比较更大，严重降低管壁的使用寿命。所以，球形T型管交叉处结构较直角T型管相比更加不合理。

4 结语

T型管道模型结构性能分析，主要利用给气流增压，使气流能量增加，将流体输送到目标位置的过程。经过静压压力云图、动压压力云图和迹线图的对比分析可以知道在管道的冲击的和能量的耗散方面直角T型管道的模型比较占据优势，在溢出量方面直角T型管道模型略高于球形T型管道模型但是球形T型管道模型由于流体在球体内部的旋转耗散，导致了流出量的减少。

基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（201910320151Y）。

参考文献：

[1]韩方军，孙鑫，张原.T型三通管内部流场数值模拟与结构优化[J].新疆水利，2010（04）：1-3.

[2]李东营. T型管液压成形加载路径的组合近似模型优化设计[D].吉林大学，2018.

[3]李庚旺，张骐，陈爽，欧阳斌，卢涛.T型管湍流穿透现象的热流固耦合疲劳分析[J].北京化工大学学报（自然科学版），2020，47（04）：81-88.

[4]徐梦娜. T型管内雾状两相流相分离及压降特性数值研究[D].山东大学，2017.