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摘 要：三通管作为工业上应用广泛的管道设备，其安全运行，对大多数设备都起着至关重要的作用。应用ANSYS CFX流体动力学（CFD）软件，研究三通流体内主要的流态参数，并用标准的k～ 模型对三通管内进行三维模拟。通过对和实验的比对，整个结果比较良好，在工程范围内可以应用。
关键词：计算流体力学 三通管道 三维数值模拟
中图分类号：TK223.3 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-234-02
对于一般的流体问题的研究，当今实验研究较多。实验会提供一个可靠的资料，为理论分析和数值模拟打下基础，但是对其模型大小、精度和安全等方面要求很高，并且其研发周期长、投入成本高等问题难以解决。正是由于以上方法的局限性，加之近几年计算机能力的大幅度提高，数值模拟的方法体现了其强大的能力，国内外进行了很多研究。本文应用ANSYSY CFX强大的计算能力和分析模拟能力，对三通管内的流体的速度、压强和温度进行了分析，可以为管道设计提供了可靠的理论依据。
1 问题的描述及网格的划分
本问题主要描述了两股流速温度不同的流体，在三通管道汇合，并流出的问题。具体方向如图1所示，其中：汇集管长度5m，直径0.4m，导入管长度1.5m，直径0.4m。在三通管道的交接处，流体有着很强的能量交换和能量损失，所以，用专业ANSYS CFX软件计算模拟，精度会较高。
2 模拟过程及结果
2.1 数值模拟
本文求解算法采用高阶求解模式，此模式求解准确，但是收敛性不好。在时间步上，初步选定为100步，但经过多次测试，基本在50步左右，此模型就可收敛，且精确度较高，达到工程精度范围。关于流动，设流动为定常流动，并选择标准的k～ 模型进行计算。
本文模拟了当热力学温度为298.15K时，摩尔质量18.02kg/kmol，密度997.0 kg/m3，比热容为4181.7J/kg.K的水的模拟情况。其中入口处流入冷流体的质量流量为30kg/s，热力学温度为293.15K；另一端入口处流入热流体质量流量为60kg/s，热力学温度为373.15K。壁面参数设为光滑、无滑移的绝热型壁面。混合之后所的到得温度和流线形态如图2、3所示。
由图2可以看出，两流体在混合处产生了强烈的能量和动量的交换。两个来流在混合处产生了强烈的回旋涡流。由图2流线可以看出，在冷流体方向，混合处下方产生了速度改变。流线密集的区域，其压力很大。靠近三通管后端底部出现一个较高速度。
由图3可见，三通管流体混合处的由于湍流存在的影响，在前端出压力出现最大值而在后端出现负压，且流提速度越大动力粘度度越小，出现的压力最大和负压的面积越广泛。可见，在工业设计上，蓝色区域值得着重加强校核计算。
由图4可见，中心线上的温度在混合点处，温度产生的极速的变化，大概在0.2米左右，达到最高温度。然后，由于混合的相对全面，温度相对降低一些，然后趋于平缓。这符合工程规律。
由图4可见，中心线上的温度在混合点之后，产生了比较大的压降，这是由于混合产生的流体内部之间的挤压、旋转和剪切产生的状态变化。而在大概0.4米左右的位置，压力达到最低。然后随着垂直流体的减少，压力减轻，中心线的流体慢慢升高，趋于稳定。
在图5中，距离和温度的模拟发生在XY轴面的，Z=0.02m、0m、-0.02m、-0.5m、-1.0m、-1.5m处。就如我们看到的，在截面Z=0.02m、0m、-0.02m，热射流进入主管道，热射流的温度分散的较快。由于水的导热率较高，但是，当射流进入的时候，由于热射流的导热率高于冷射流，热流体失去温度较快，可能会使管道产生热疲劳。在管道下游的一段距离后，由于主流段是湍流，主流体振荡会导致在主管道产生因壁射流和热射流热疲劳而形成的振荡。
3 结语
本文运用ANSYS CFX软件的标准k～ 湍流模型，比较准确的计算出了整个问题模型的流体运行过程和形态。同时对交汇处的流场和温度进行了精确分布预测。这种图形化的表达相对比较直观形象。这对日后工程问题，提供了较好的依据和数据。笔者感觉，在计算流体力学日益发展的今天，采用专业软件进行模拟计算，将会是一个省时省力、值得推广的好方法。
参考文献：
[1] K.S.佩德森.石油和天然气的性质[M].北京：中国石化出版社，1989：204-207.
[2] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化大然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003：18-20.
[3] 黄荣国，金培彤，吴国江.圆截面三通管道层流流动的数值计算[J].上海交通大学学报，1993，27（2）：51-55.
[4] 陆方，王孟浩，李道林.大容量电站锅炉过热器、再热器带三通集箱流量分布的试验研究[J].动力工程，1996，13（3）：13-19.
[5] 罗永浩，杨世铭，王孟浩.三通管对分配集箱流量分配的影响[J].动力工程，1998，18（3）：29-33.
[6] 刘进.电站锅炉三通集箱系统流量分配的数值模拟[D].上海：上海发电设备成套设计研究院，2008.
关键词：计算流体力学 三通管道 三维数值模拟
中图分类号：TK223.3 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-234-02
对于一般的流体问题的研究，当今实验研究较多。实验会提供一个可靠的资料，为理论分析和数值模拟打下基础，但是对其模型大小、精度和安全等方面要求很高，并且其研发周期长、投入成本高等问题难以解决。正是由于以上方法的局限性，加之近几年计算机能力的大幅度提高，数值模拟的方法体现了其强大的能力，国内外进行了很多研究。本文应用ANSYSY CFX强大的计算能力和分析模拟能力，对三通管内的流体的速度、压强和温度进行了分析，可以为管道设计提供了可靠的理论依据。
1 问题的描述及网格的划分
本问题主要描述了两股流速温度不同的流体，在三通管道汇合，并流出的问题。具体方向如图1所示，其中：汇集管长度5m，直径0.4m，导入管长度1.5m，直径0.4m。在三通管道的交接处，流体有着很强的能量交换和能量损失，所以，用专业ANSYS CFX软件计算模拟，精度会较高。
2 模拟过程及结果
2.1 数值模拟
本文求解算法采用高阶求解模式，此模式求解准确，但是收敛性不好。在时间步上，初步选定为100步，但经过多次测试，基本在50步左右，此模型就可收敛，且精确度较高，达到工程精度范围。关于流动，设流动为定常流动，并选择标准的k～ 模型进行计算。
本文模拟了当热力学温度为298.15K时，摩尔质量18.02kg/kmol，密度997.0 kg/m3，比热容为4181.7J/kg.K的水的模拟情况。其中入口处流入冷流体的质量流量为30kg/s，热力学温度为293.15K；另一端入口处流入热流体质量流量为60kg/s，热力学温度为373.15K。壁面参数设为光滑、无滑移的绝热型壁面。混合之后所的到得温度和流线形态如图2、3所示。
由图2可以看出，两流体在混合处产生了强烈的能量和动量的交换。两个来流在混合处产生了强烈的回旋涡流。由图2流线可以看出，在冷流体方向，混合处下方产生了速度改变。流线密集的区域，其压力很大。靠近三通管后端底部出现一个较高速度。
由图3可见，三通管流体混合处的由于湍流存在的影响，在前端出压力出现最大值而在后端出现负压，且流提速度越大动力粘度度越小，出现的压力最大和负压的面积越广泛。可见，在工业设计上，蓝色区域值得着重加强校核计算。
由图4可见，中心线上的温度在混合点处，温度产生的极速的变化，大概在0.2米左右，达到最高温度。然后，由于混合的相对全面，温度相对降低一些，然后趋于平缓。这符合工程规律。
由图4可见，中心线上的温度在混合点之后，产生了比较大的压降，这是由于混合产生的流体内部之间的挤压、旋转和剪切产生的状态变化。而在大概0.4米左右的位置，压力达到最低。然后随着垂直流体的减少，压力减轻，中心线的流体慢慢升高，趋于稳定。
在图5中，距离和温度的模拟发生在XY轴面的，Z=0.02m、0m、-0.02m、-0.5m、-1.0m、-1.5m处。就如我们看到的，在截面Z=0.02m、0m、-0.02m，热射流进入主管道，热射流的温度分散的较快。由于水的导热率较高，但是，当射流进入的时候，由于热射流的导热率高于冷射流，热流体失去温度较快，可能会使管道产生热疲劳。在管道下游的一段距离后，由于主流段是湍流，主流体振荡会导致在主管道产生因壁射流和热射流热疲劳而形成的振荡。
3 结语
本文运用ANSYS CFX软件的标准k～ 湍流模型，比较准确的计算出了整个问题模型的流体运行过程和形态。同时对交汇处的流场和温度进行了精确分布预测。这种图形化的表达相对比较直观形象。这对日后工程问题，提供了较好的依据和数据。笔者感觉，在计算流体力学日益发展的今天，采用专业软件进行模拟计算，将会是一个省时省力、值得推广的好方法。
参考文献：
[1] K.S.佩德森.石油和天然气的性质[M].北京：中国石化出版社，1989：204-207.
[2] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化大然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003：18-20.
[3] 黄荣国，金培彤，吴国江.圆截面三通管道层流流动的数值计算[J].上海交通大学学报，1993，27（2）：51-55.
[4] 陆方，王孟浩，李道林.大容量电站锅炉过热器、再热器带三通集箱流量分布的试验研究[J].动力工程，1996，13（3）：13-19.
[5] 罗永浩，杨世铭，王孟浩.三通管对分配集箱流量分配的影响[J].动力工程，1998，18（3）：29-33.
[6] 刘进.电站锅炉三通集箱系统流量分配的数值模拟[D].上海：上海发电设备成套设计研究院，2008.