基于Fluent的三通管数值模拟及分析

基于FLUENT的管壳式换热器流场的数值模拟与分析鲍苏洋（南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)摘要:通过简化管壳式换热器模型，采用非结构网格划分，选用κ-ε湍流模型，应用CFD 软件FLUENT 对壳程流体流动和传热过程进行了数值模拟，得到了不同折流板间距情况下壳程流体温度场、压力场以及速度场的分布情况。

分析了折流板间距对壳程流体流场分布、换热器传热速率以及压力损失的影响，并得出了进口流速与传热量和压力损失之间的关系。

模拟结果与理论研究结果相符合，对管壳式换热器的设计和改进有一定的参考价值。

关键词:化工机械; 换热器; 数值模拟; 温度场; 速度场; 压力场Numerical Simulation and Analysis of Flow Field in Shell-and-Tube Heat Exchanger Based on FLUENTSuyang BAO( School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)Abstract: By simplified the model of shell-and-tube heat exchangers，adopted the unstructured mesh，chose the κ-εturbulence model to gain the static temperature field，velocity field and static pressure field distribution of shell by taking numerical simulation of the shell side turbulent flow and heat transfer process with the CFD software FLUENT at different baffle spacing．Analyzed the effect of baffle spacing on the distribution of shell fluid flow，heat transfer rate and pressure drop，also acquired the relationship between inlet velocity and heat transfer rate，pressure drop．The simulation results consistent with the theoretical results of shell-and-tube heat exchangers，which can be a reference for the design and improvement of shell-and-tube heat exchangers．Key words: chemical machinery; heat exchanger; numerical simulation; temperature field; velocity field; pressure field0 引言换热器是石油化工行业广泛应用的工艺设备，换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足生产工艺的需要，同时也是余热回收利用的有效设备［1］。

基于Workbench的流固耦合作用下三通管振动特性分析韩天宇,郭长青*,谌冉曦(南华大学土木工程学院,湖南衡阳 421001)摘要：使用ANSYS Workbench软件，对流固耦合作用下的三通管振动特性进行分析。

首先应用Solidworks和ANSYS Workbench 对结构进行几何建模，再利用CFX模块对流场进行计算，将得出的结果以荷载的形式导入Workbench进行流固耦合状态下的模态分析。

计算研究三通管在双进单出和单进双出情况下的入水口流速、入水口压强和管壁厚度对固有频率的影响。

结果表明，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大，两种不同流体流动方式三通管的前六阶振型都主要是整体梁变形;管道的固有频率会随着入水口压强和流速的增加而增加;随着壁厚的增加，前三阶固有频率有所降低，第4～6阶固有频率则先升后降;在入水口压强、入水口流速和壁厚等条件相同的情况下，双进单出三通管的固有频率比单进双出三通管的固有频率略大。

关键词：流固耦合;三通管;振动;固有频率;workbench0 引言在输流管道中，由于流体的不连续加压和流体的无规则流动，产生强烈的压力波动，管道则会产生很大的振动，甚至发生破坏。

因此有必要研究输液管道系统的流固耦合振动的振动特性及其影响因素。

桑永等[1]使用ANSYS软件分析了大流量管路流固耦合振动；齐欢欢等[2]使用ANSYS和CFX软件对输液管道进行了有限元分析；熊雄等[3]针对液压输流管内的压力脉动进行研究，对压力脉动进行编程，得到了压力脉动作用产生的激振力的变化；姬贺炯等[4]进行了输流管道的动力有限元建模并进行了实验；赵宁[5]应用Workbench软件分析了流固耦合作用下的弯管的振动特性；张晓明[6]应用Workbench软件对室内供水管道进行有限元分析，并用实验进行了辅助验证；王涛[7]应用Workbench软件探究了孔板对于管道振动的稳定和抑制作用；卢嘉伟等[8]研究了竖直弯管在不同弯转角度条件下的振动特性；俞树荣等[9]分析了弯管的流固耦合动力特性，考虑了脉动压力、壁厚和管径对固有频率的影响；朱炎等[10]对气液两相流情况下的输水管道进行了实验，实验表明输水管道含气率越大，管道不同位置的振动强度差别越大；梁建术等[11]应用ANSYS Workbench软件对流固耦合输液波纹管进行了模态分析；D.C.Wiggert等[12]把管道的的结构部分以直管的低阶模态的方式代替，流体部分则利用经典水锤理论对流体域进行响应计算；D.C.Wiggert等[13]以四方程模型为基础，将四方程模型拓展为十四方程模型，通过实验进行了验证，与计算结果能够良好吻合Y.Z.Xu等[14]提出了一种多分支管道的通用解决方案，为预测复杂管道系统的频率响应提供了一种方法；W.Wang等[15]利用ANSYS 软件对系统在固定开度与变开度情况和流开型与流闭型情况下振动响应进行了定性分析。

中国修船CHINASHIPREPAIR Vcl.34Nc.2 Ape.2021第34卷第2期2021年4月LNG管道冷应力数值模拟庞聪利，薛大文，赵春慧（浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山316022）摘要：在LNG船舶设计建造中，用于运输、装卸的液化低温管道需承受-160~+80°C的温差变化，在这个过程中极易对船舶的管道造成应力损伤，因此有必要对LNG船舶管道进行应力分析。

文章基于CFD建立T型三通管管道模型，利用FLUENT软件进行数值模拟，从不同支管管径和不同预冷速度2个角度，研究支管管径、进口流速对三通管内压力场、以及应力对管壁总变形的影响。

结果表明，三通管道预冷过程中产生的位移即总变形较大区域集中在主管与支管交汇的中心，即约主管高的1/2处，其中支管管径与支管流速变化时，其最大值也会相应增大或者减小&关键词：LNG船舶；低温管道；冷应力；支管管径；预冷速度中图分类号：U672文献标志码：A doi：10.13352/j.issn.1001-8328.2021.02.009!!Abtrdacr：Theliqueaied lowtempeeatueepipelineused aoeteanspoetation and loadingand unloadingin LNG ship design and construction needs to withstand the temperature daference of -160〜80C.In this process，it is easytoeausestee s damagetotheshsp pspelsne，sostssneee s aeytoea e youtstee s analyssson theLNG shsp pipeline.This papee sets up a T type three-way pipe modd based on CFD.The influence of pipe diametee，inlc velocity on pressure field and stress on total defomiation of pipe wall is studied from too angles of daferent pipe di-ametee and dferent precooling speed.The results show that the displacement produced in tOe precooling process of thetheee-waypipeline，thatis，thelaegeaeeaoatotaldeaoemation，iseoneenteated in theeenteeoatheinteesee-tion ot the supemisar and tOe branch pipe，that is，about1/2of tOe main pipe flow.Its mcirnum vlue wil l also ineeeaseoedeeeeaseaeeoedingly.Key woddt：LNGship；lowtempeeatueepipe；eold stee s；pipediametee；peeeoolingspeed天然气作为清洁能源和化工原料，具有绿色、环保、高效的特点，其应用范围广泛、经济实惠，是较为安全的燃气之一⑴。

三通管中气液冲蚀磨损的数值模拟研究许留云;李翔;李伟峰;裴彦达【摘要】The numerical simulation on erosion during the air containing less droplets entering into tee pipes was studied by using DPM model in Fluent software. Through simulation experiments, the site of more serious erosion was found out. The results show that, at the same speed, the erosion rate of the tee increases with the increasing of droplet amount;when the droplet amount is the same, the rate of erosion increases with the increasing of inlet fluid velocity.%运用Fluent软件中的DPM模型对含少量液滴的气体在三通管中的冲蚀情况进行数值模拟，通过模拟实验分析三通管中冲蚀比较严重部位。

结果证明在速度相同的情况下，流体对三通管的冲蚀磨损作用随着液滴含量的增加而增大；在液滴含量相同的情况下，流体对三通管的冲蚀磨损作用随着流体入口速度的增大而增大。

【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】3页(P1577-1579)【关键词】三通管;冲蚀速率;气液;数值模拟【作者】许留云;李翔;李伟峰;裴彦达【作者单位】中国石油大学北京，北京 102249; 中国特种设备检测研究院，北京100013;中国特种设备检测研究院，北京100013;中国石油大学北京，北京102249; 中国特种设备检测研究院，北京100013;中国特种设备检测研究院，北京100013【正文语种】中文【中图分类】TQ018管道是在一定压力下输送流体的特种设备。

斜三通的CFD数值模拟及传热影响因素研究作者：朱海荣卢红亮崔海亭邓小叶来源：《河北科技大学学报》2019年第02期摘要：为研究斜三通管内流体的流动与传热过程，应用CFD软件Fluent分别对管间夹角θ为20°～ 90°、流速比λ为2～3.5以及支管位置l为500～1 000 mm的斜三通内流体的流动与传热过程进行了数值模拟，并通过正交试验设计对影响三通壁面平均换热系数的各参数进行了敏感性分析。

结果表明，随着θ和λ的增大，三通出口处流体最大速度逐渐增大，其中λ的影响更为显著;壁面平均换热系数随θ和λ的增大而增大，随l的减小而增大;支管位置l主要影响壁面平均换热系数，对最大速度的影响可忽略不计。

按照影响壁面平均换热系数作用的强弱，支管位置l >流速比λ>管间夹角θ，即支管越靠近主管进口、流速比越大、管间夹角越大，则壁面换热效果越好。

因此，支管位置是影响斜三通壁面传热效果的首要因素。

关键词：节能技术;斜三通;流动与传热;管间夹角;流速比;支管位置中图分类号：TQ018文献标志码：AAbstract：In order to study the flow and heat transfer process of the fluid in an obliquetee， the CFD simulation of flow and heat transfer processes of the fluid in oblique tee with the included angle of 20°～90°， the velocity ratio of 2～3.5 and the branch position of 500～1 000 mm is carried out based on Fluent software， and the sensitivity analysis of various parameters influencing the average heat transfer coefficient of wall surface is conducted by orthogonal experimental design. The results show that as the included angle or velocity ratio increases， the maximum velocity of fluid at the outlet of oblique tee increases gradually， and the influence of velocity ratio is more significant. The average heat transfer coefficient of wall surface also increases with the increase of included angle and velocity ratio; the branch position mainly affects the average heat transfer coefficient of wall surface， and its influence on the velocity is negligible. The average heat transfer coefficient of wall surface is increasing with the decrease of the branch position. According to the different effects of various parameters on average heat transfer coefficient of wall surface， branch position l>velocity ratio λ>included angle θ， which means that the closer the branch pipe is to the inlet of main pipe，the greater the velocity ratio， and the greater the included angle， the better the heat transfer effectof wall surface will be. Therefore， the branch position is the primary factor to influence the heat transfer effect of oblique tee.Keywords：energy conservation technology; ;oblique tee; flow and heat transfer; ;included angle; velocity ratio; branch position三通可用于水、油及各种液体化工材料的输送管路，广泛应用于医学、水利（节水灌溉、给水排水）、能源动力（石油、天然气、核工业）、建筑等工程领域。

排气三通管道分散流流动特性的数值模拟及分析李雄;刘伟军;唐飘;杜兴慧【摘要】为减小排气T型三通管道中的局部压力损失,利用FLUENT软件对其分散流动特性进行数值模拟,分析支管与总管流通截面积比、夹角、质量流量比及流体温度对管道总压损失系数的影响规律.结果表明:总管流速和气体温度对总压损失系数影响不大,支管与总管质量流量比却对总压损失系数影响显著;分支管与总管夹角、分支管与总管流通截面比对总管-通支管总压损失系数的影响不明显,但对总管-分支管总压损失系数的影响显著.通过数值模拟和分析建议T型三通管推荐结构为分支管与总管夹角α=45°,分支管与总管流通截面比A3/A1的适宜范围为0.8～1.数值模拟结果与前人研究及试验结果比对,趋势一致,计算精度较高,可为类似汽车排气分流技术开发提供依据.【期刊名称】《河北科技大学学报》【年(卷),期】2014(035)003【总页数】7页(P272-278)【关键词】三通管道;分散流;压力损失系数;数值模拟【作者】李雄;刘伟军;唐飘;杜兴慧【作者单位】上海工程技术大学汽车工程学院,上海 201620;上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海工程技术大学汽车工程学院,上海 201620;上海工程技术大学汽车工程学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TK403在车用发动机中，受工作原理限制，燃料转变为有用功的部分占1/3左右，大部分的热量通过冷却介质和废气被带走[1-3]。

发动机排气管中上游的废气为较高品位的热源，若能有效回收这部分能量，对提高发动机的燃油经济性具有重要的意义。

排气三通管道作为发动机尾气余热回收利用装置的重要组成部分，不仅对尾气能否正常利用起着关键作用，而且影响着发动机的整体性能。

三通是最常见的一种管道配件，三通处的流动十分复杂，流体的流速在此处发生突变，出现流体质点之间的撞击，产生漩涡，二次流以及流动的分离和再附壁等现象[4-5]。

第40卷第2期 当 代 化 工 Vol.40，No. 2 2011年2月 Contemporary Chemical Industry February，2011收稿日期： 2010-08-17作者简介： 魏显达（1983-），男，硕士，黑龙江北安人，2007年毕业于大庆石油学院电子信息工程，研究方向：塔顶流出系统的腐蚀与防基于 Fluent 的三通管数值模拟及分析魏显达，王为民， 徐建普（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）摘 要：Fluent 软件作为流体力学中通用性较强的一种商业CFD 软件应用范围很广。

通过利用Fluent 计算流体动力学（CFD）的软件，对石油工业系统中常见的三通管内部流体进行了模拟分析，得到了三通管内在流体流动时的速度、压力和温度场分布图，为石油管道中的流体输送提供了理论依据。

关 键 词：Fluent；三通管；模拟分析；分布图中图分类号： TQ 018 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2011）02-0165-03Numerical Simulation and Analysis of Fluid in Three-wayConnection Pipe Based on Fluent SoftwareWEI Xian-da ，WANG Wei-min ，XU Jian-pu(Institute of Petroleum and gas engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China ）Abstract : As a commercial CFD software with good universality, the Fluent software has been used extensively. In this paper, Simulation analysis on fluid in the three-way connection pipe of the oil industry was carried out by the software of fluid mechanics computation .Then distribution graphs of velocity , pressure and temperature of fluid in the three-way pipe were gained ，which can offer theoretical basis on fluid transportation in the petroleum pipeline. Key words : Fluent three-way ；Connection pipe ；Simulation analysis ；Distribution graphsFluent 是目前国际上比较流行的商用CFD 软件包，在美国的市场占有率为60%，广泛应用于流体、热传热和各种化学反应等有关工业。

三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。

层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。

雷诺数是判别流体流动状态的准则数。

本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。

流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。

Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。

2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。

在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理紊流流动当以水流以流速20.1m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数10000υdRe ν==，故圆管内流动为紊流。

假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (0-1)②动量守恒方程：2()()()()()()()()()()[]u uu uv uw u u ut x y z x x y y z z u u v u w p x y z xρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----∂∂∂∂ (0-2)2()()()()()()()()()()[]v vu vv vw v v v t x y z x x y y z z u v v v w px y z yρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----∂∂∂∂ (0-3)2()()()()()()()()()()[]w wu wv ww w w w t x y z x x y y z z u w v w w px y z zρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----∂∂∂∂ (0-4)③湍动能方程：()()()()[())][())][())]t t k k t k k k ku kv kw k k t x y z x x y yk G z zμμρρρρμμσσμμρεσ∂∂∂∂∂∂∂∂+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++-∂∂ (0-5)④湍能耗散率方程：212()()()()[())][())][())]t t k k t k k u v w t x y z x x y y C G C z z k kεεμμρερερερεεεμμσσμεεεμρσ∂∂∂∂∂∂∂∂+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++-∂∂ (0-6)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。

基于CFD的汇流三通管阻力特性与流场可视化分析作者：尚星航季日臣来源：《甘肃科技纵横》2021年第03期摘要：三通管是输配水系统中常用的形式。

在同一边界条件下选用规格为30°、45°、60°、90°夾角三通管，采用不同汇流速度比，结合CFD数值模拟软件进行分析计算，得到三通管道输水时局部水头损失系数变化规律。

结果表明：局部阻力系数在雷诺数大于3×105之后基本保持稳定；在同一流速比下直管-主管流向的局部水头损失主要是由流速梯度变化和直管涡流运动造成的；当角度为90°时，引发的水流回流撞击比较强烈，实际应用中应尽量减少三通管夹角的大小以减少能量损失，提高过流能力。

关键词：汇流三通管；局部阻力系数；分流比；数值模拟中图分类号：TV134文献标志码：A基金项目：国家自然基金资助项目（项目编号：51669010）。

0引言近年来在急速凸显的节水灌溉技术中，滴灌、喷灌等新型技术节水效果明显，尤其在甘肃、新疆、宁夏等地，其节水效率比普通灌提高近50%。

目前，随着三通管在多项灌溉技术中的应用增多，三通管已经逐渐成为输水系统中一种常见的输水设施。

多年来，国内外学者对三通管进行了广泛研究：陈江林等[1]通过试验研究和数值模拟对T型三通管水流的流动特性进行分析，得到了不同分流比、管径比对水头损失系数的影响；许虎等[2]通过对不同出口夹角下的斜直三通管进行数值模拟得到不同入口雷诺数、斜直三通管主管与支管间夹角、局部水头损失系数三者之间相关关系；石喜[3]等通过对不同PVC三通管进行了试验与数值模拟研究，揭示了内部流场分布特性及局部阻力系数与雷诺数、管径比的变化关系；李玲等[4]对三岔管内水流的流动进行数值模拟与实验研究，分析初步得出岔管内能量损失的一些特性。

国内学者对分岔管道还进行了大量的研究[5～10]，但国内研究主要集中在分流三通管的阻力、流场特性和在不同流态下的沿程水头损失或局部水头损失以及阻力系数的变化，而对汇流三通管研究颇少，而且显而易见仅利用试验与理论来分析此类问题，会变得繁琐而困难。