不同安装角度的大管道出水管路流动数值分析

时间：2024-05-18

王赟，龚进军，石磊

（中建三局第二建设工程有限责任公司，福建福州 350000）

冷水出水管路是应用于建筑制冷机房中循环冷水泵系统的管道结构形式，通常用来连接多台循环水泵及汇流冷水，不同管道三通的安装角度影响流体流动过程的压力损失。传统物理实验的方法研究不同结构管道湍流流动，受到经济成本制约、实验仪器的精度及不稳定状况影响[1-2]。

CFD 数值方法用于流体流动模拟、优化结构设计计算受到重视，国内外学者多依靠模型试验和数值模拟方法进行管道内部流动特性研究，PARK[3]等利用CFD 对喷水管道的流动性能进行模拟，管道壁面压力分布计算结果与试验数据吻合；曹海兵等[4]分析了直径为T 形、Y 形和圆弧型三通管内流体流动状况和阻力性能，模拟结果表明圆弧型三通的水头损失最小。

针对建筑制冷机房内大管道三通安装角度对管路流体流动的影响，本文依据某项目实际管道规格建立三维管路模型，对管道三通不同安装角度（90°、60°、45°、30°）流体流动特性进行模拟，得到速度变化规律及流场分布特性，为实际工程中大管道安装提供理论参考。

1 物理模型建立

循环水泵冷水管路的汇流，分为流体进口管段、三通管段、流体出口管段。本文在进行三维管道建模时，进口管段和出口管段直径分别为D1=350 mm、D2=600 mm，主管道长度为L=7.3 m，进口管段高度H=4.0 m。计算区域几何结构采用非结构化网格进行离散化，几何模型及局部网格划分如图1所示。

为了考察管道三通安装角度变化对管道流动性能的影响，选取4 个不同的角度θ设计方案，分别为90°、60°、45°和30°，对流场分布特性进行研究分析。同时，标准差反映一个数据集的离散程度，本文均匀选取靠近出口处X=7 m 截面五点速度值，如图2所示，获得出口截面的速度标准差值，用来反映截面远壁面流速的分布情况，计算公式为：

图1 大管道三通安装角度θ 几何模型

图2 截面X=7 m 速度值取值方案

2 边界条件设置

根据管道流体的特点作如下假设：流体为不可压缩流体，且物性参数保持不变；忽略重力的影响。

本文的模拟计算过程涉及两种边界条件：速度入口和压力出口，流体材料为液态水，入口速度大小取2.5 m/s，方向垂直于进口截面。模型求解方法采用标准k-ε 湍流模型，采用二阶迎风差分法对控制方程进行离散，压力和速度的耦合方式采用SIMPLE 算法，各项参数计算结果收敛至10-5。

3 模拟结果分析

3.1 速度场分布

进口流速为V=2.5 m/s，截取管段截面Z=0 m，分析流体在不同安装角度的三通管道结构中速度的变化，结果如图3所示。

由图3可以看出，流体在进入管道时速度分布是整体一致的，安装三通角度由90°变化至30°，出口处2.3 m/s 速度云线由X=5 m 延伸至X=7.5 m。模拟获得四种出口流速均为1.71 m/s，角度θ越小，出口流场沿管中心的对称性越好，即管壁到管中心速度形成增加的梯度，说明流体受到垂直干扰的影响较小。主要是因为支管汇流进入干管时，安装角度θ越小，管道角度对流体流动起到导向作用，支管流体汇入时减轻对主管的冲击，不易产生涡流和死角。

图3 不同安装角度截面Z=0 m 处速度分布云图

3.2 速度矢量图

不同安装角度截面Z=0 m 处流场矢量如图4所示，可以看出，安装角度大于45°的管道流动过程中，远离出口的左侧支管（X=0.5 m）在汇流入主管后，在下壁面处形成涡旋对流体的扰动较大；安装角度大于60°时，左右两支管在汇流处均形成涡旋。壁面的剪切力使得流动方向垂直于壁面，与水平横向流体碰撞后汇流，易引起湍流动能损失。

3.3 出口截面流速标准差

按照取值方案分别获得四种安装角度下出口处截面X=7 m 远壁面的模拟速度值，截面平均流速为1.71 m/s，计算得到如图5所示速度标准差值。在90°和60°安装角度下，标准差值均较小，说明截面内流速基本趋于一致。随着角度减小，标准差值增加至0.39，流速值均偏离且大于平均值1.71 m/s，则近壁面流速较小。