混凝土内部T型弯管流动换热数值模拟.pdf

2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) N u mb e r 6i n 2 O l 1 ( T o t a l N o 2 6 0 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RE SE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 8 混凝土内部 T型弯管流动换热数值模拟 卢玉林 ，李文倩 ，梁永朵 ，卢滔 ，刘小阳 ，王丽 ，魏佳 ( 1 防灾科技学院，北京 1 0 1 6 0 1 ；2 中国地震局工程力学研究所 ，黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 摘要： 采用有限元方法计算了三通弯管的流场分布和换热效率。获得了T型弯管横截面的平均速度和 换热系数沿管程的分布曲 线 。数值结果表明， 弯曲位置附近流场分布复杂 ， 弯 曲位置后水流量得到二次分配； 分支管壁出现分离 区和回流区， 横截面出现二次流。 u 数在主管和分支管沿管长方向均出现衰减， 且分支管衰减比率大于横向管。 在数值分析混凝土结构温度场中， 应注意弯管节点附近施加不 同的换热系数 。 关键词 ： 混凝土 ；有限元 ；T型弯管 ；换热系数 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 l 1 ) 0 6 0 0 5 7 0 3 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f f l o w h e a t t r a n s f e r o n T - j u n c t i o n e mb e d d e d i n c o n c r e t e LU Yu l i n ， LI W e n- q i a n ， LIA NG Yo n g - d u o ， LU T a o ， LI U Xi a o - y a n g ， WANG Li ， WEI 胁 ( 1 I n s t i t u t e o f Di s a s t e r P r e v e n t i o n ， Be i j i n g 1 0 1 6 0 1 ， C h i n a ： 2 I n s t it u t e o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， C h i n a E a r t h q u a k e Ad mi n i s tr a t i o n ， Ha e r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A fi n i t e e le me n t me t h o d w a s d e v e l o p e d t o s i mu l a t e t h e f l o w fi e l d d i s t r i b u t i o n a n d t h e h e a t t r a n s f e r e ffic i e n c y o f r - j u n c t i o n i n c o n c Th e me a n wa t e r v e loc i t y a n d Nus s e l t n u mb e r s o n e a c h s e c t i o n we r e o b t a ine d i n t h i s m a n u s c r i p t Nu me r i c a l r e s ul t s s h o w t h a t t h e f l o w fi e l d d i s t r i b u t i o n w a s v e r y c o mp l e x a n d a n e w fl o w v e l o c i t y w a s d i s t ri b u t e d i n t h e j u n c t i o n p o s i t i o n A s e p a r a t i o n z o n e a n d r e c i r c u l a t i o n z o n e a p p e a r e d i n t h e v i c i n i t y o f b i f u r c a t i o n p i p e wa l l ， a n d a s e c o n d a r y flo w a p pe a r e d i n t h e c r o s s s e c t i o n Nus s e l t n u mb e r d e c r e a s e d g r a d u a l l y a l o n g t h e p i p e l i n e o f t h e ma i n p i p e a n d t h e b r a n c h p i p e， a n d the h e a t l o s s r a t i o i n b r a n c h p i p e i s g r e a t e r than m a i n p i p e I t s u g g e s t e d t h a t t h e Nu s s e l t he a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t s h o u l d b e p i e c e wi s e l o a d e d the b o u n d a ry c o n d i t i o n s ， wh e n e mp l o y a n u me ric a l s i mu l a t i o n me t h o d t O an a l y z e the c o n c r e t e t e mp e r a tur e fie l d K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； fi n i t e e l e me n t ； T-j u n c t i o n ； h e a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t 0 引言 在建筑工程、 水利工程及给水排水工程中， 通常存在冷却 循环管路， 利用三通接头连接主管与冷却管。 因此， 三通管( T 型 管) 作为一种常见的弯管形式存在于整个系统中。 在结构工程中， 水作为冷却介质常常被用于降低混凝土在固化期的水化热量 ， 从而避免温度裂缝的产生 ， 这一方法已成 为大体积混凝土施工 技术中的主要措施之一 。 T型弯管主要由主管和分支冷却管 组成 ， 研究 T型管 内部流动产生的换热 系数对于准确预测结构 内部温度场是非常必要的。 国内外许多学者对于弯管内部的流动做过大量的试验和 理论研究 】 。 特别是在 弯管 内当流体状 态为紊流时 ， 往往伴随 流动损失及流阻的出现， 这种现象会影响流体流动与周围介质 的换热效果 。 同时 ， 在管壁附近往往 出现流体分离区 ， 横截面 出 现二次流等， 这些现象都会造成流体的能量损失， 形成局部障 碍区， 降低流体的热量传递7 _ 9 。 对于 T型弯管几何结构， 主管和 分支冷却管直径往往不同， 流体在经过弯曲部分后各管内部流 场分布十分复杂， 而流速大小直接影响流体传热系数的分布。 工程上采用数值方法可 以快速 的获取混凝土结构 中的温 度分布状态， 计算方法主要包括耦合法和近似法 1 0 - 1 2 1 。 耦合法主 要考虑冷却水与混凝土共同作用， 通过求解流热耦合方程确定 相应的温度场。 然而， 由于流体网格划分精细导致计算工作量大， 耗费时间长等 ， 在工程上并不常用。 而近似法将冷却水考虑为第 三类边界条件进行设定， 计算量相对适宜， 计算结果可以满足 工程需要 ， 比较普遍应用在工程计算中。 近似法计算中解决 的核 心问题之一便是确定冷却水管与周围环境的热交换系数 。 要准 确的计算温度场必然要分析换热系数沿冷却管路径的分布情 况， 特别是在弯管位嚣因二次流出现而改变的热量损失程度。 努 赛尔数( Nu s s e l t c o e ffic i e n t ) 是表征对流换热强弱的参数 ， 能够 反映冷却介质与周围环境之间的热交换能力。 为此， 本研究采用 数值模拟的方法计算了T型弯管中冷却水的流场分布及 ， v u 数 沿管长方向的变化曲线 ， 分析了不同位置 数的分布规律。 同 时分析了横截面二次流对 u 换热系数的影响， 计算结果对采用 近似方法求解混凝土结构内部温度场具有一定的参考意义。 1 数值计算 1 1 N 数计算 三通管内部 ， v u 数计算可通过流体的流动状态获得， 确定 u 系数大小的关键在于冷却水沿管路的流动分析 ， 特别是获取弯 曲位置流体速度的变化特征。 工程试验结果表明紊流状态可有 收稿 日期：2 0 1 O l 2 _ 0 1 基金项目：中国地震局教师科研 基金( 2 0 1 0 0 1 0 6 ) ； 防灾科技学院防灾减灾青年科技摹金( 2 0 1 0 0 2) 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 效带走水化热量 ， 且雷诺数应保持在 1 0 4 1 0 5 ， 为此水流速度应 大于其临界速度 。 根据计算式( 1 ) ， 水流入口速度取 4 0 c m s ， 保证水流成紊流状态。 Re - d v ( 1 ) 式中： R 雷诺数； 水流速度 ； d 管径 ； 水的动力黏度。 1 2物理模 型 考虑水管与混凝土间的位置关系， 实际工程中三通管节点 部位几何结构如图 1 所示。 弯管材料为钢材， 9 O 。 转角连接， 相关 参数为 ： 主管直径 + 3 2 i i ff n ， 壁厚 4 0 H l l 1 1 ， 冷却管直径 2 8 r n l n ， 壁厚 2 0 r f l n l 。 考虑管长对流动形态的影响， 入口及出口管长取值 均大于 1 0倍直径 ， 分别为 ： 3 5 0 、 3 0 0 ml n 。 图 1 三通管几何 结构 1 3控制 方程 计算中作如下假设 ： 考虑冷却水为各向同性 、 不可压缩且 具有恒定密度和黏度的牛顿流体。 管为刚性管， 铺设布置完毕 后不可渗透和变形。 计算流体范围为管材内径空间下的流体 ， 水的流动控制方程为 ： 连续方程 ： d i v ( ) = 0 ( 2 ) 动量方程 ： d i v ( U) = 一 V P + d ( x e r a d u ) + S ( 3 ) 式中： f 水流速度； p 水的密度黏度； r水的动力黏度 ； M 速度分量； P 压力源项 ； S i 广义源项 。 1 4 边界条件 水流动方程的边界条件为： 水管壁面施加无滑移边界条件 ， 即各速度分量为零； 入口速度为4 0 c m s ， 保证流体为紊流状态强 化传热效果。 出口相对压力为零 ， 流体初始温度为 2 0， 冷却水 的物理计算参数： 密度为 1 0 0 0 k g m ； 质量热容为4 1 8 3 J ( k g K) ； 导热系数 0 5 9 9 W ( m K) ； 黏度为 1 O 0 6 x l O m2 s ； 考虑模型 具有对称平面， 在 z轴方向利用对称性计算 1 2模型， 减小计算 量， 施加对称边界条件为 O u J O z = O 。 1 5 有 限元模 型 本研究采用有限元分析方法计算冷却水的控制方程 ， 利用有 限元分析软件 A NS Y S完成计算工作。 远离 T型节点位置网格采 用八节点六面体单元划分， T型节点位置采用四节点四面体单元 划分并加密网格以保证流体收敛性。 四面体和六面体单元之间采 用金字塔单元连接。 计算单元2 3 0 7 4 4 ， 节点总数 1 6 9 5 8 8 。 水流速 度和压力收敛精度控制在 1 旷 5 1 0 -4 o 弯管网格划分如图2所示。 58 图 2 三维有限元网格 2 数值 结果 图 3表示 三通管 内部流场分布和流线 图。 可以看 出流体在 弯管位置流场分布复杂 ， 在竖直管中， 流体出现明显的回流区 域。 主流流体在经过弯曲分支管后， 流向突然变化促使分支管中 流体与左侧管壁出现分离区， 右侧管壁附近速度梯度变化剧烈 ， 且右侧速度大于左侧。 在惯性力的影响下， 主流速度依然沿水平 管流动， 由于分支管的存在， 主流速度出现明显减小。 靠近弯管 节点部位， 流线变化密集 ， 远离节点位置， 流速沿管路趋于均匀 分布， 流体得到充分发展。 流体在分支管， 主要靠近右侧管壁分 布， 左侧存在分离区与回流区， 这种现象必然使得分支管中内 压分布不均， 流体对管内右侧压力高于左侧压力， 右侧流体与 周围能量交换效率高。 流速越大 ， 分离与 回流现象越 明显 。 f a 1 云图 f b ) 流线 图 图 3 弯 管部位速度分布 图 4表示分别截取水平管和竖直管不同位置的横截面二 次流( 位置如图 1 所示) 。 截面 1 处流体由于未经过弯管， 所以 流体分布状态正常。 截面 3 处， 流体速度分布与 1 截面处明显不 同， 虽然流体仍 旧沿横管 方向流动 ， 但速度开始减小。 截面 2处 可以明显看出二次流的分布， 靠近管壁左侧流体方向变化复杂， 横向扰动剧烈， 主要原因为左侧回流区所致。 二次流会干扰主流 运动， 局部改变主流方向， 消耗主流能量。 管壁右侧流体主要沿 竖管轴 向运动 ， 速度小于横 向管流速。 一、 、 一一 、 一 、 。 一 I 、一 0 、 、 。 、 | 一 一一 I 善毒 主 j j囊 1I 一 一 I ! = 0 一 一 ： 一 j 蔓- _： 誓 j 一 ， 。 一 每 ； 童j 善 ； 一 、 。 ，j ， 、 一 ， 一 、 一 、 一一 ( a ) 截面 l 一 1 ( b ) 截 面2 2 ( c ) 截 面3 3 图4 不同位置横截面的二次流 从图 5中可以看出， 靠近弯管节点位置 5 ( a ) ， 横截面流体 速度分布复杂， 管壁右侧速度梯度密集且左侧梯度曲线稀疏。 图 5 ( b ) 位置流体速度只分布在截面右侧， 左侧几乎没有流体 ， 主要原 因为该截面位于流体 与左侧管壁得分离 区。 图 5 ( c ) 、 ( d ) 随着管路的延长， 分离区逐渐缩小， 左侧流体回流区沿管路分 布逐渐趋于稳定。 可以推断， 当流体得到充分发展后 ， 横截面的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 - 一 ( c ) ( d j 图 5 沿分支管轴向不 同横截面流速分布 将不存在同流区与二次流 ， 截面速度保持稳定状态。 对于流体 传输而言， 回流区的出现将使弯管截面流体运动复杂， 流体前 后碰撞增加 主流 的湍 动性 ， 出现 流动阻碍区 ， 影 响流体与周 围 介质的热量传输效率 。 图 6表示流速沿横 向和纵 向的分 布情况。 沿 ， 轴方 向， 未经 弯管， 主流速度大小接近初始速度 4 0 c m s 。 此后由于弯管分流 影响， 速度明显减小， 并在弯曲节点位置速度先减小后增大。 弯管 过后， 速度得到重新分配并接近稳定， 平均流速大小为 3 4 c r r d s ， 主 流降低 I 5 。 可以看出， 流体主要沿横向流动 ， 这主要是在紊流 状态下流体运动的惯性 素所致 。 沿 ， 轴方 向， 速度是现递减趋 势 ， 在靠近弯管节点部位速度较大 ， 同流 区流速梯度变化剧烈。 流速达到稳定状态时为 4 6 c m s 接近分支管横截面初始速度的 2 5 。 纵向分支管流体在弯管后速度重新 分布 ， 从 回流 区至流体 充分发展距离接近 1 2 0 m m。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0l 1 1 21 3 v 轴 c m ( b hl方向 图 6沿 路 径速 度 分 布 图 7表示冷却水对流 系数 ， v 数沿横向( 轴 ) 和纵向( Y轴 ) 的分布。 经计算在初始时刻 保持在 8 5 ， 2 ， 紊流传送流体。 当流 体在弯曲节点位置， 在横向N 数发生突然变化 ， 最小值在 6 7 7 ， 减小幅度在 2 0 5 。 纵向 ， 数在弯管过后， 最小值在 1 5 9 ， 减小 幅度在6 0 4 。 数分布同样表明流体主要沿横向流动， 以惯性 流动为主， 流动换热损失主要是弯管分流影响。 在弯曲节点位置 ， 数先减小而后增 大 ， 此部位流动复杂 ， 但 范围仅限于竖直管 与横管连接位置。 远离 通节点 ， 横向沿 X 轴 6 0 m l T l 和沿纵 向y 轴 1 2 0 l r l m位置 数均可保持稳定 。 从中可以得出 ， 在采用 以对流 系数为边界条件进行加载时， 应考虑弯管造成的流动损失， 流体 与周围换热效率会被减小。 在主管和分支管位置， 特别是在竖直 管存在 回流 的有效长 度内， 应施加折减系数以保证数值 求解 9 0 8 0 70 6 0 5 0 40 3 0 2 0 1 0 c b ) ) 方 向 9O 8 0 70 6O 50 40 30 20 1 O 图 7沿路径 u 数分布 的准确性 、 此外， 在丁程实际中应注意弯管位置的温度监测， 防 止温差过高而出现 内部开裂 。 3结论 利用 有限元法模拟 算 了 T型弯管 的内部流场和换热系 数 沿弯管的分布状态。 结果表明 T型管接头部位引起流动 的二次分配 ， 在惯性作用下 ， 主流仍沿横 向流动但 数发生减 小 ， 造成横向管出现换热损失 。 纵 向管流量小 ， 与周 围换热能力 低于横 向管。在弯曲过后 ， 纵 向管出现分离 区和回流 区， 严重影 响流体的传动性能， 形成局部流阻， 降低热量交换。 同时， 横截 面出现 明 的二次流 ， 改变主流方向 ， 影响传输性能 。 沿管程方 向， 数均会因为弯【 抖 1 和分流二减小， 要注意弯曲位置应施加 不同系数以使计算正确。 对于弯管流动引起 的热交换损失 ， 应在明确具体工程的基 础上， 在主管、 分支管和弯管部位分项施加 数。 针对紊流这 一 特殊流动应在数值模拟的基础上还需结合现场试验进行对 比分析 ， 以保证分析问题 的正确性 。 本研究的结果对采用近似法 分析结构温度场提供一定的参考价值。 参考文献 ： 1 1 祝金鹏， 李术才， 张峰大体积混凝土水管冷却分析I J I 山东交通学院 学拔 ， 2 0 0 8 ， 1 6 ( 1 ) ： 5 1 5 5 I 2 刘亚琼， 王振国 考虑水管冷却的混凝土温度场的分析【 J 】 山西建筑， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 1 6 0 1 6 2 3 王甲春， 阎培渝 早期混凝土结构开裂风险分析 J l_ 应用基础与工程 科学学报2 0 0 6 ， 1 4 ( 2 ) ： 2 6 2 2 6 7 【4 l刘兴法 混凝土结构的温度应力分析【 M E 京： 人民交通出版社 ， 1 9 9 t 【 5 吴玮， 严忠民 多分支管道若干流动特性研究 J 1 _河海大学学报： 自然 科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 7 2 2 7 5 【 6 1 杨康， 刘吉替， 马雯波基 于 F L U E N T 软件的T 型三通管湍流数值模 NJ 化工装备技术， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 3 3 6 【 7 熊永 ， 吴晓敏， 桂晓宏， 等 分叉管内单相流流量分配的数值模 2 c 1 中国工程热物理学会学术会议论文， 2 0 0 7 f 8 1 周承富， 陈小榆 ， 刘德生， 等 三通管二维湍流数值模拟 J I_ 石油化工 设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 2 ) ： 3 7 4 0 I 9 】卢冬华 ， 枸松寿睛 型三通管 内热 分层流动 3 D数值模拟I j 1 l核动力 工程 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 3 2 3 3 4 1 0 HE D I U N D H， G R O T H P A i r C O l fl i n g o f c o n c r e t e b y m e a n s o f e mb e d d e d c o o l i n g p i p e s P a r t I ： L a b o r a t o rs t e s t s o f h e a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t s J I Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ( 3 1 ) ： 3 2 9 3 3 4 f 1 1 G R O T H P ， H E D I U ND HA i r c o o l i n g o f c o n c r e t e b y m e a n s o f e m b e d d e d c o o l i n g p i p e s - P a I 1 ： A p p l i c a t i o n i n d e s i g n 【 J 】 Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8 ( 3 2 ) ： 3 8 7 3 9 2 f 1 2 J i n K e u n K i m， K o o k H a n K i m， J o o K y o u n g Y a n g T h e r ma l a n a l y s i s o f h y d r a t i o n h e a t i n c o n c r e t e s t ruc t u r e s w i t h p i p e - c o o l i n g s y s t e mJ C o m p u t e r s a n d S t mc t u r e s ， 2 0 0 1 ( 7 9 ) ： 1 6 3 1 7 1 作者简介： 卢玉林( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 硕士。 联系地址： 北京东燕郊学院街防灾科技学院防灾工程系( 1 0 1 6 0 1 ) 联系电话 ： t 3 8 1 1 5 0 4 4 5 4 5 9 、 一 帮 一 一 蛩 一 寸 一 5 一 一 丁 一 一 一 。 一 一 一 - I 囊 葑 a _ - l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m