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T型管三通流体动力学分析

题目： T型管三通流体动力学分析
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摘要 2
关键字 2
前言 2
正文 2
一、建立模型 3
1、绘制模型立体图 3
2、划分网格 4
3、输入参数 4
4、计算 6
二、分析 7
1、压强 7
2、速度 8
3、温度 10
三、总结 11

摘要
　　为了加深对工程流体力学基本概念和基本理论的理解，本组依照指导进行了此次实验。为明确冷水、热水在管内如何混合，混合后的运动状态和特性，我们选取了三通管为模型。将三通管注入冷水和热水，汇合后通入大气中。通过假设将其简化后研究其内部流体运动状态的变化。结合压强、管道的属性、水的速度温度及能量损失等问题，应用软件模型计算得到了三通管道内部的流场分布，并对三通管内道内流动的特性进行分析，得出了三通管道紊流流动的计算结果。
关键字
三通管、混合过程、运动状态、能量损失
前言
　　工程流体力学是研究流体受力及其运动规律的一门学科，侧重于应用流体力学的基本原理、理论与方法研究解决实际问题。它以流体为研究对象，是研究流体平衡和运动规律的科学。流体力学在水利、航空、电力、机械、冶金、化学、石油、土木等工业技术中有广泛的应用。对口于本专业的机械工业中的润滑、冷却、液压传动、气力输送以及液压和气动控制问题的解决，都必须应用流体力学的理论。因此它是我们理解掌握现代化工程勘测、设计、运行与管理的知识基础，也是我们继续深造及将来从事研究工作的重要工具。
　　为深入学习流体力学，培养建模能力和分析实例的能力，培养理论联系实际、实事求是、严格认真的科学态度，本组成员积极配合开展了此次实验。
正文
　　本组研究的流体类型为水，研究围绕三通管内的冷热水混合进行。为节省实验研究的时间和经费，我们采用数值计算方法来研究该问题。通过软件模拟对其进行定性分析。主要研究黏性流体在等速有温差的条件下产生的局部损失和沿程损失及其动量变化。以期在实验中更加具象的了解连续性方程、伯努利方程、动量方程和达西-巴赫公式的内涵和应用。为展示研究过程及结果，特在此进行系统陈列。
在进行软件模拟之前首先对流体进行以下假设：
1、质量守恒
2、动量守恒
3、连续介质假设
4、不可压缩流体

一、建立模型
　　模型简介：本装置模型为“T”型三通管，X方向直管管径50mm，Z方向管径30mm。
　　流动过程简述：向直径为50mm直管的一端管口通入80℃流速为5m/s的热水，直径30mm管口通入10℃流速为2m/s的冷水，水流在管中混合后由50mm直管的另一端管口流入大气.（本次实验不对流出部分液体做研究）。

1、 绘制模型立体图

图1.1 用Geometry绘制的立体图
2、划分网格

图1.2 inflation参数设置

图1.3 生成网格
3、输入参数
对面进行命名，两个输入口为inlet_hot（热水管），inlet_cool（冷水管）。出口为outlet。参数如下：
冷水入口端：直径30mm 温度10℃ 流速2m/s
热水入口端：直径50mm 温度80℃ 流速5m/s
出口端：直径50mm 压强1atm
湍流强度：I=0.16×Re^(-1/8)

图1.4 冷水入口设置

图1.5 热水入口设置

图1.6 出口设置
4、计算
　　数学方法：K-ε湍流模型与能量方程 （迭代次数：最小值1 最大值100）

图1.7 计算过程
二、分析
1、压强
　　在我们所建立的这个三通管模型中，流体的压强变化较为明显。建立一个三维坐标系如下图所示，以中央的注水口为Y轴，以向上为正方向。其余两管延伸的方向为Z轴方向，以向右为正方向。过Y轴和Z轴交点沿垂直Y轴和Z轴的方向为X轴方向，向外为正方向。
在X-Y截面上，压强变化如下图所示。从如下所示的压强分布图中我们可以清楚地看到，冷水入口管道内压强较大，沿Y轴负方向呈现出逐渐减小的趋势。在这里我们分析一下，因为速度沿水流方向逐渐增大，重力因素忽略不计，由伯努利方程p+ρgz+(1/2)*ρv^2=C可知压强逐渐减小。

图2.1 X-Y截面压强分布示意图
　　在Y-Z截面上，流体压强变化明显。从热水入口管道至其与竖直的冷水入口管道交接处，也是因为水流速度越来越大，由伯努利方程p+ρgz+(1/2)*ρv^2=C可知压强逐渐减小。另外，在管道交接处进一步研究，冷水（速度为2m·s-1）和热水（速度为5 m·s-1）在此处汇合，在流动方向改变和流速分布变化的情况下，会形成因形成的漩涡和由二次流形成的双螺旋流动产生的损失.这就是在管道交接处右侧上侧靠上部分较右侧其他位置的流体压强小的原因。在管道口交接处至出水口这一段管道中，虽然有沿程能量损失，但是，因为两股水流的汇合，由连续性方程可知速度会明显增大，因此由整体来看，流体平均流速增大。同样，由伯努利方程可知，流体压强逐渐减小。

图2.2 Y-Z截面压强分布示意图
　　由以上总结可得：压强在Y轴方向上的竖直管道内的压强最大，在Z轴方向上的水平管道内左侧的的次之。经过汇流后，在水平管道内右侧的压强最小。压强分别沿着Y轴负方向和Z轴正方向减小。
2、 速度

图2.3 Y-Z截面速度分布

图2.4 迹线分布
　　首先，由所建立的速度模型可以看出，在两个入水口处靠近管壁很小的一段区域范围内颜色为蓝色，这是由于这是在靠近管壁的地方，紊流脉动受到限制，粘滞力的作用显现，在紧贴管壁的很薄的流层中紊流脉动消失，粘滞力的作用使流速急速下降，速度分布比较陡峭，速度梯度大，形成粘性底层的存在。在剩余的较大一部分区域里，液体的速度颜色分布均匀，为层流区，在接近管道汇交处的地方速度分布才开始出现变化。
　　接下来是两管道汇交的区域，在这个区域，冷水和热水相互融合，形成温水。由迹线图我们可以看出，在混合后，由于流量变大，而管道直径不变，有连续性方程可知道不可压缩流体沿管流的体积流量是常量，所以速度变化较大。在交汇处速度突然变大，而热水和冷水未能进行充分的混合便沿着管道继续流动。在汇交后的一段管道内由速度图可以看出速度分布散乱，是紊流区。所以，在汇交之前，各管道除粘性底层外是层流区，在汇交后是紊流区，如图所示。
3、 温度

图2.5 Y-Z截面温度分布

图2.6 X-Y截面温度分布

图2.7 整体温度分布

由ANSYS所计算出的参数及温度变化的图示可以得出，从坐标系的Y-Z截面可以看出，在整个进水管道中冷热水相遇之前温度基本不变，相遇后在冷热水交界处热水温度逐渐降低，冷水也逐渐升温，且两者的温度变化梯度相差不大。沿着水流-Z方向冷热水的温度变化越发明显，混合程度增强，温度梯度减小。随着流体向下游流动， 温度分布越来越趋向均匀。这是浮升力对T型管道中冷热流体的混合的影响， 浮升力导致主管中的热流体向支管上游冲刷， 并与支管中的冷流体混合。 同时， 当支管中的混合流体向主管底部冲击时， 由于主管流体的惯性力不足以克服浮升力的影响， 具有相对低温的混合流体向主管的上游回流。
　　此外， 在主管中可以清晰地观察到温度分层现象，图中的主管上游温度界限清晰一致， 说明冷热流体混合程度小， 对上游区域没有影响， 这是因为流体的惯性力比浮升力大， 所以混合仅发生在下游。主管的下游， 温度分布趋于无序，温度分层现象减弱。

三、总结
　　本文利用ANSYS软件对Ｔ型三通管中主管为热流体和支管为冷流体的混合过程的流动进行了仿真分析，获得了不同平面上的速度分布，在贴近管壁处可观察到速度梯度较大的黏性底层，还可观察到在混合前黏性底层上方速度平缓的平流区和混合后流速较大，各流层液体相互混掺的紊流区。此外，从仿真分析中获得的温度分布图可得出冷热水相遇后交界处温度开始中和，且两种水的温度变化梯度相差不大。沿着水流Z方向冷热水的温度变化越发明显，温度梯度增大。随着流体向下游流动， 温度分布越来越趋向均匀。从压强分布图中可得出压强在Y轴方向上的竖直管道内的压强最大，在Z轴方向上的水平管道内左侧的的次之。经过汇流后，在水平管道内右侧的压强最小。压强分别沿着Y轴负方向和Z轴正方向减小。
　　在整个管道的能量方面，除流体在整个流程中由于流体粘滞力产生的沿程损失外，还有冷热水在混合后的紊流流动中产生漩涡造成的能量损失。总之，等速差温的流体在三通管内混合后会形成紊流，并产生新的能量损失，随着流体的进一步混合流体的温度由分层逐步趋于均匀，其压强的总趋势是变小。
　　我们所研究的T型管道广泛运用于诸如石油化工厂和核电厂等管路系统中的冷热流体的混合和连接。在实际应用中，研究流体的流速和流线分布及温度压强分布对研究流体的各项性质以及工厂设施的安全问题有着极为重要的指导作用。

参考文献：
【1】孔珑．工程流体力学．中国电力出版社，2006．
【2】张也影．流体力学．高等教育出版社，1986．
【3】丁源，吴继华．ANSYS14.0从入门到精通．机械工业出本社，2003．
【4】陈艳霞，陈磊．ANSYS Workbench工程应用案例精通．电子工业出版社，2012．
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