1、T型管三通流體動力學分析題目： T型管三通流體動力學分析 小組成員： 學院、專業(yè)班： 時間： 指導教師： 目錄摘要2關鍵字2前言2正文2一、建立模型31、繪制模型立體圖32、劃分網(wǎng)格43、輸入?yún)?shù)44、計算6二、分析71、壓強72、速度83、溫度10三、總結11摘要為了加深對工程流體力學基本概念和基本理論的理解，本組依照指導進行了此次實驗。為明確冷水、熱水在管內如何混合，混合后的運動狀態(tài)和特性，我們選取了三通管為模型。將三通管注入冷水和熱水，匯合后通入大氣中。通過假設將其簡化后研究其內部流體運動狀態(tài)的變化。結合壓強、管道的屬性、水的速度溫度及能量損失等問題，應用軟件模型計算得到了三通管道內部的

2、流場分布，并對三通管內道內流動的特性進行分析，得出了三通管道紊流流動的計算結果。關鍵字三通管、混合過程、運動狀態(tài)、能量損失前言工程流體力學是研究流體受力及其運動規(guī)律的一門學科，側重于應用流體力學的基本原理、理論與方法研究解決實際問題。它以流體為研究對象，是研究流體平衡和運動規(guī)律的科學。流體力學在水利、航空、電力、機械、冶金、化學、石油、土木等工業(yè)技術中有廣泛的應用。對口于本專業(yè)的機械工業(yè)中的潤滑、冷卻、液壓傳動、氣力輸送以及液壓和氣動控制問題的解決，都必須應用流體力學的理論。因此它是我們理解掌握現(xiàn)代化工程勘測、設計、運行與管理的知識基礎，也是我們繼續(xù)深造及將來從事研究工作的重要工具。為深入學習

3、流體力學，培養(yǎng)建模能力和分析實例的能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際、實事求是、嚴格認真的科學態(tài)度，本組成員積極配合開展了此次實驗。正文本組研究的流體類型為水，研究圍繞三通管內的冷熱水混合進行。為節(jié)省實驗研究的時間和經(jīng)費，我們采用數(shù)值計算方法來研究該問題。通過軟件模擬對其進行定性分析。主要研究黏性流體在等速有溫差的條件下產(chǎn)生的局部損失和沿程損失及其動量變化。以期在實驗中更加具象的了解連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程和達西-巴赫公式的內涵和應用。為展示研究過程及結果，特在此進行系統(tǒng)陳列。在進行軟件模擬之前首先對流體進行以下假設：1、質量守恒2、動量守恒 3、連續(xù)介質假設4、不可壓縮流體一、建立模型模型簡介：

4、本裝置模型為“T”型三通管，X方向直管管徑50mm，Z方向管徑30mm。 流動過程簡述：向直徑為50mm直管的一端管口通入80流速為5m/s的熱水，直徑30mm管口通入10流速為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氣.（本次實驗不對流出部分液體做研究）。1、 繪制模型立體圖圖1.1 用Geometry繪制的立體圖2、劃分網(wǎng)格圖1.2 inflation參數(shù)設置圖1.3 生成網(wǎng)格3、輸入?yún)?shù)對面進行命名，兩個輸入口為inlet_hot（熱水管），inlet_cool（冷水管）。出口為outlet。參數(shù)如下：冷水入口端：直徑30mm 溫度10 流速2m/s熱水入口端：直

5、徑50mm 溫度80 流速5m/s出口端：直徑50mm 壓強1atm 湍流強度：I=0.16Re(-1/8)圖1.4 冷水入口設置圖1.5 熱水入口設置圖1.6 出口設置4、計算數(shù)學方法：K-湍流模型與能量方程 （迭代次數(shù)：最小值1 最大值100）圖1.7 計算過程二、分析1、壓強在我們所建立的這個三通管模型中，流體的壓強變化較為明顯。建立一個三維坐標系如下圖所示，以中央的注水口為Y軸，以向上為正方向。其余兩管延伸的方向為Z軸方向，以向右為正方向。過Y軸和Z軸交點沿垂直Y軸和Z軸的方向為X軸方向，向外為正方向。在X-Y截面上，壓強變化如下圖所示。從如下所示的壓強分布圖中我們可以清楚地看到，冷水

6、入口管道內壓強較大，沿Y軸負方向呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。在這里我們分析一下，因為速度沿水流方向逐漸增大，重力因素忽略不計，由伯努利方程p+gz+(1/2)*v2=C可知壓強逐漸減小。圖2.1 X-Y截面壓強分布示意圖在Y-Z截面上，流體壓強變化明顯。從熱水入口管道至其與豎直的冷水入口管道交接處，也是因為水流速度越來越大，由伯努利方程p+gz+(1/2)*v2=C可知壓強逐漸減小。另外，在管道交接處進一步研究，冷水（速度為2ms-1）和熱水（速度為5 ms-1）在此處匯合，在流動方向改變和流速分布變化的情況下，會形成因形成的漩渦和由二次流形成的雙螺旋流動產(chǎn)生的損失.這就是在管道交接處右側上側靠上部

7、分較右側其他位置的流體壓強小的原因。在管道口交接處至出水口這一段管道中，雖然有沿程能量損失，但是，因為兩股水流的匯合，由連續(xù)性方程可知速度會明顯增大，因此由整體來看，流體平均流速增大。同樣，由伯努利方程可知，流體壓強逐漸減小。圖2.2 Y-Z截面壓強分布示意圖由以上總結可得：壓強在Y軸方向上的豎直管道內的壓強最大，在Z軸方向上的水平管道內左側的的次之。經(jīng)過匯流后，在水平管道內右側的壓強最小。壓強分別沿著Y軸負方向和Z軸正方向減小。2、 速度圖2.3 Y-Z截面速度分布圖2.4 跡線分布首先，由所建立的速度模型可以看出，在兩個入水口處靠近管壁很小的一段區(qū)域范圍內顏色為藍色，這是由于這是在靠近管壁

8、的地方，紊流脈動受到限制，粘滯力的作用顯現(xiàn)，在緊貼管壁的很薄的流層中紊流脈動消失，粘滯力的作用使流速急速下降，速度分布比較陡峭，速度梯度大，形成粘性底層的存在。在剩余的較大一部分區(qū)域里，液體的速度顏色分布均勻，為層流區(qū)，在接近管道匯交處的地方速度分布才開始出現(xiàn)變化。接下來是兩管道匯交的區(qū)域，在這個區(qū)域，冷水和熱水相互融合，形成溫水。由跡線圖我們可以看出，在混合后，由于流量變大，而管道直徑不變，有連續(xù)性方程可知道不可壓縮流體沿管流的體積流量是常量，所以速度變化較大。在交匯處速度突然變大，而熱水和冷水未能進行充分的混合便沿著管道繼續(xù)流動。在匯交后的一段管道內由速度圖可以看出速度分布散亂，是紊流區(qū)。

9、所以，在匯交之前，各管道除粘性底層外是層流區(qū)，在匯交后是紊流區(qū)，如圖所示。3、 溫度圖2.5 Y-Z截面溫度分布圖2.6 X-Y截面溫度分布圖2.7 整體溫度分布 由ANSYS所計算出的參數(shù)及溫度變化的圖示可以得出，從坐標系的Y-Z截面可以看出，在整個進水管道中冷熱水相遇之前溫度基本不變，相遇后在冷熱水交界處熱水溫度逐漸降低，冷水也逐漸升溫，且兩者的溫度變化梯度相差不大。沿著水流-Z方向冷熱水的溫度變化越發(fā)明顯，混合程度增強，溫度梯度減小。隨著流體向下游流動， 溫度分布越來越趨向均勻。這是浮升力對T型管道中冷熱流體的混合的影響， 浮升力導致主管中的熱流體向支管上游沖刷， 并與支管中的冷流體混合

10、。 同時， 當支管中的混合流體向主管底部沖擊時， 由于主管流體的慣性力不足以克服浮升力的影響， 具有相對低溫的混合流體向主管的上游回流。此外， 在主管中可以清晰地觀察到溫度分層現(xiàn)象，圖中的主管上游溫度界限清晰一致， 說明冷熱流體混合程度小， 對上游區(qū)域沒有影響， 這是因為流體的慣性力比浮升力大， 所以混合僅發(fā)生在下游。主管的下游， 溫度分布趨于無序，溫度分層現(xiàn)象減弱。三、總結本文利用ANSYS軟件對型三通管中主管為熱流體和支管為冷流體的混合過程的流動進行了仿真分析，獲得了不同平面上的速度分布，在貼近管壁處可觀察到速度梯度較大的黏性底層，還可觀察到在混合前黏性底層上方速度平緩的平流區(qū)和混合后流速

11、較大，各流層液體相互混摻的紊流區(qū)。此外，從仿真分析中獲得的溫度分布圖可得出冷熱水相遇后交界處溫度開始中和，且兩種水的溫度變化梯度相差不大。沿著水流Z方向冷熱水的溫度變化越發(fā)明顯，溫度梯度增大。隨著流體向下游流動，溫度分布越來越趨向均勻。從壓強分布圖中可得出壓強在Y軸方向上的豎直管道內的壓強最大，在Z軸方向上的水平管道內左側的的次之。經(jīng)過匯流后，在水平管道內右側的壓強最小。壓強分別沿著Y軸負方向和Z軸正方向減小。在整個管道的能量方面，除流體在整個流程中由于流體粘滯力產(chǎn)生的沿程損失外，還有冷熱水在混合后的紊流流動中產(chǎn)生漩渦造成的能量損失。總之，等速差溫的流體在三通管內混合后會形成紊流，并產(chǎn)生新的能量損失，隨著流體的進一步混合流體的溫度由分層逐步趨于均勻，其壓強的總趨勢是變小。 我們所研究的T型管道廣泛運用于諸如石油化工廠和核電廠等管路系統(tǒng)中的冷熱流體的混合和連接。在實際應用中，研究流體