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）

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）

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。

Fluent；三通管；模拟分析；分布图

Fluent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。软件包括前处理器（利用Gambit进行物理建模、网格划分和划定边界层条件）、求解器（根据专业条件不同，采用不同的求解器，并规定物性、外部工作环境和进行数值迭代）和后处理器（把一些数据可视化，满足用户的特定要求）。

三通管在石油工业中应用广泛，采用传统的设计开发方法，存在经济成本高，研发周期长等缺陷，耗费大量的人力、物力[1-2]。应用CFD软件，能够在相对较短的设计周期内，较低的成本运行下，准确模拟流动具体过程，如速度场、压力场和温度场等的时变特性等。CFD技术已经成为不可缺少的设计手段。

本文利用Fluent的超强数值计算和分析能力对三通管道内原油流动时的速度、压强和温度场进行了数值模拟和分析，为石油管道中的流体输送提供了可靠的理论依据。

1 数学模型的建立和分析

输油管道管中，原油在三通管内的流动属于湍流，简化方程管道内的流体流动满足质量守恒、动量守恒、能量守恒、状态方程等。

连续性方程（连续性方程式质量守恒定律在流体力学中的表现形式）在直角坐标系下表示为（（1）方程）[3-5]：

式中：Vx，Vy，Vz是速度矢量ν在x、y和z轴方向的分量，t是时间，ρ是密度。

最常用的湍流求解模型是标准k-ε湍流模型。它需要求解湍动能k((2)方程)和耗散率ε((3)方程)，具体如下所示：

式中：对于不可压缩流体,Gb= 0,YM= 0,在Fluent中，作为系统默认值常数，C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,湍动能k与耗散率ε的湍流普郎特数分别为σk=1.0，σε=1.3。

2 物理模型的建立及分析

2.1 用Gambit创建几何模型

Gambit是一具有超强组合建构模型能力的专用的 CFD前置处理器，能灵活方便的进行几何修正，自动选择最合适的网格划分算法[6]。设三通管的计算模拟尺寸（每根管子的直径为15 cm，长度为90 cm,3根管子相互正交。）网格划分图（划分为四面体网格，网格划分2 584个）如图1所示。

图1 三通管网格划分图Fig.1 Meshing of three-way connection pipe Fluent

开始计算，迭代57次后，计算收敛，其残差曲线如下图2所示。

图2 三通管残差曲线图Fig.2 Residual plot of three-way connection pipe

2.2 对三通管内流体的描述和简化

① 原油流动为连续介质流体，流体流动为湍流，不可压缩牛顿流体；

② 原油的密度为883 kg/m3，粘度为1.98 kg/（m•s），比热为2 146 J / (kg•K)，导热系数0.668。1进口的速度为2.5 m/s，油的温度为365 K；2的进口速度为2.2 m/s,油的温度为323 K。

2.3 数值模拟速度场、温度场和压力分布 [7]

温度分布图如图3、4。

图3 x=0平面上温度分布图Fig.3 Temperature distribution of plane

图4 三通管的温度分布图Fig.4 Temperature distribution of three-way connection pipe

图5 x=0平面上压力分布图Fig.5 Pressure distribution of plane x=0

图6 三通管的压力分布图Fig. 6 Pressure distribution of three-way connection pipe

压力分布图如图5、6。速度矢量分布图如图7、8。

图7 x=0平面上速度矢量分布图Fig. 7 Velocity distribution of plane x=0

图8 三通管的速度矢量分布图Fig.8 Velocity distribution of three-way connection pipe

3 结 论

本文章对原油在三通管的流动，用Fluent分别对其流动的温度场、速度场和压力进行了分析计算模拟，根据图像得出以下结论：

（1） 温度分布图（图3、图4）所示，两股不同温度的流体混合后流过同一个管道，混合后的温度处于两个速度之间，而且管道越长，温度就成梯度下降。在靠近接口的温度接近于相近的流体的温度。

（2） 压力分布图（图5、图6）所示，两股不同压力的流体混合后流过同一管道时，在管道交界处的压力比较大，但随着管道输送距离越来越大，压力也逐渐变小，在混合管道的末端流体压力达到最小。

（3） 速度矢量图（图7、图8）所示，两股不同速度的流体混合后流过同一管道时，在管道交接处得到速度达到最大值，而且形成湍流。随着管道输送距离的变大，速度逐渐减小。其分布图与温度分布图相似。

通过Fluent对三通管及部分管道的速度场、温度场和压力场的数值分析，得出速度场、温度场和压力分布图，指出在实践生产中根据这些物理量的分布要适当选择管道管材以及做好保温材料的选取和优化管道结构化设计。实现软件取样，可以很好的为实践做好理论依据。

[1] 汤广发.室内气流数值计算及模型试验[M].长沙：湖南大学出版社，1989：150-158.

[2] 赵琴，王靖.FLUENT在暖通空调领域中的应用[J].制冷与空调，2003（2）:15-18.

[3] 朱克武，王玉兴，唐艳琴.基于 FLUENT的五通管流场数值分析[J].内蒙古石油化工，2009（15）:70-71.

[4] 钟建立，付丽霞，雷进波.全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的可视化研究[J].浙江大学学报，2005（31）：351-354.

[5] 牟国栋，詹淑慧，赵懋林.置换通风与CFD数值模拟[J].建筑节能，2009（1）:36-39.

[6] 樊勇保，李晓娇，李玲，等.基于Fluent的高炉风口流场和温度场的模拟[J].计算机应用技术，2009（29）:324-326.

[7] 韩占忠，王敬，兰小平，等.流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004:201-223.

Numerical Simulation and Analysis of Fluid in Three-way Connection Pipe Based on Fluent Software

WEI Xian-da，WANG Wei-min，XU Jian-pu
(Institute of Petroleum and gas engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

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.

Fluent three-way；Connection pipe；Simulation analysis；Distribution graphs

TQ 018

A

1671-0460（2011）02-0165-03

2010-08-17

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护。E-mail：whwh_2008@163.com。