引言斜三通在实际应用过程中，流体在交汇处产生涡流，因此不同的三通管夹角容易产生不同的局部阻力，同时也影响管道的传热传质效率。当三通管夹角设计不合理时，导致管内局部阻力加大，造成能源浪费，甚至降低设备的自身使用寿命。朱海荣[1]等针对斜三通的夹角、支管位置和流速比，对管内表面传热系数的影响进行分析，得出影响传热系数最主要的因素是支管位置。石喜[2]等对UPVC斜三通管的阻力损失和管内流动特性进行研究，发现离心力作用下的涡流和流量变化是阻力损失的重要原因。龚旭[3]等对建筑排水管入流角度和流态的关系进行数值模拟，发现增大三通入流角度可以使排水更加顺畅。杨康[4]等研究分析不同流体参数和管体结构对温度场、速度场和湍动能的影响。Fluent软件对数据的处理分析能力较强，可以针对不同工况下，三通管内的流体进行数值分析，相对于传统的设计开发方法，利用Fluent软件进行数据分析可以有效缩短研究周期，为研究管内传热传质提供可靠的理论依据[5-7]。试验利用Gambit软件建立三通管模型，然后导入Fluent软件对管内流体的混合流动进行模拟。分析不同角度下，三通管内的速度和压力分布，为降低由斜三通应用过程中产生的额外能耗，研究斜三通管内的流动情况对实际生产活动具有重要意义。1数值模型1.1物理模型利用Gambit软件分别建立θ为30°、45°、60°的斜三通管三维模型，两股不同温度和流速的流体分别从支管和干管进入三通并进行混合，其中进水管主管长度和支管长度均为600 mm，出水管管长800 mm，各管道半径均为100 mm。为简化模拟分析，忽略管壁的厚度并考虑绝热条件，假设流体为连续介质流体，管内为湍流，流体为非牛顿流体。1.2数学模型两股流体在管道内进行混合流动，满足连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程。在进行数值模拟时，经常选择的模型为标准k-ε模型、RNG k-ε模型等，由于RNG k-ε模型考虑了湍流涡流，对漩涡流动具有更高的精确性，因此本研究采用RNG k-ε模型。连续方程公式如下：∂ρ∂t+∂(ρVx)∂x+∂(ρVy)∂y+∂(ρVz)∂z=0 (1)式中：Vx——速度矢量V在x方向的分量，m/s；Vy——速度矢量V在y方向的分量，m/s；Vz——速度矢量V在z方向的分量，m/s；t——时间，s；ρ——密度，kg/m3；μ——流体黏度，Pa·s。能量守恒方程：∂(ρT)∂t+∂(ρuT)∂x+∂(ρVT)∂y=∂∂x(kcp-∂T∂x)+∂∂y(kcp-∂T∂y)+ST (2)式中：cp——比热容，J/(kg·K）；Ｔ——温度，K；k——流体的传热系数；ST——黏性耗散项。RNG k-ε模型中，经过必要的化简，k方程为：∂(ρk)∂t+∂(ρkui)∂xi=∂∂xj[αk(μ+μi)-∂k∂xj]+Gk-ρε (3)ε方程：∂(ρε)∂t+∂(ρεui)∂xi=∂∂xj[αz(μ+μi)∂ε∂xj]+C1z*εkGk-C2zρε2k (4)式中：k——湍动能，J；ε——湍动耗散率；αｋ——与湍动能ｋ对应的Prandtl数，数值为1.39；αｚ——与湍动耗散率ε对应的Prandtl数，数值为1.39；Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；C1z*——修正系数，C1z的经验常数值为1.42，C2z的经验常数值为1.68。1.3网格模型Gambit作为Fluent的前置处理器，具有超强的网格划分能力，专用的网格划分算法可以提高网格精度，降低网格数量。本试验主要采用四面体网格，同时为提高模拟效果的准确性，对流体交汇处以六面体、锥形网格进行单独加密处理。对网格无关性进行验证，以θ=60°为例，当网格数量为65 742，模拟结果无明显变化。定义模型边界类型，将主进水管进口设为inlet(1)，支进水管口设为inlet(2)，出口设为outlet，管壁设为wall。网格划分图，如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F001图1网格划分图1.4计算模型将网格文件导入Fluent软件，并设置边界条件。主进水管进口速度为2.5 m/s，流体温度为343 K，方向为垂直入水口。支进水管进口速度为1.5 m/s，流体温度为303 K，方向为垂直入水口。忽略管体本身厚度，管壁面均为恒壁温323 K。计算条件使用压力求解器（Pressure Based），空间条件为3D空间，速度类型为绝对速度（Absolute），对流项采用一阶迎风格式离散，压力与速度的耦合选择Simple，进水管口入口边界条件设为速度入口，出水管口边界条件设为压力出口，湍流模型选择RNG k-ε模型，近壁面处理采用标准壁面函数。2结果与分析2.1速度云图模拟结果速度云图，如图2所示。由图2可以看出，两股不同速度的流体进入三通后发生剧烈混合，速度发生明显分层。图2模拟结果速度云图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F2a110.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F2a210.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F2a3当θ=30°时，支管在未进入交汇处就已开始产生速度分层，速度梯度较大。随着入流角度增大，交汇处前方的速度变化逐渐减小。当两股流体进行混合时，在三通交汇处后面管壁上方产生涡流，当入流角度逐渐增大，混合越剧烈，涡流区域也逐渐增大。当θ=60°时，产生速度与流动方向相反的涡流。两股流体混合后，速度在交汇处后方形成明显分层。当θ=30°时，由于涡流区域较小，对后面的流体扰动较小，流体速度分层比较均匀。随着角度增大，混合处后方的流体受涡流影响逐渐增大，当θ=60°时，混合流体速度产生分层并逐渐增大，在交汇处后方产生一个高速区。2.2压力云图模拟结果压力云图如图3所示。由图3中可以看出，两股不同温度和速度的流体进入三通后，在三通交汇处进行剧烈的混合，并产生压力分层，最终两股流体混合后，以均匀的压力流出。图3模拟结果压力云图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F3a210.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.013.F3a3当入流角度较小时，压力分层现象明显，θ=30°时，从入口交汇处就已开始分层，随着入流角度的不断增大，混合效果越好，压力分层开始点逐渐后移。在三通交汇处后方，3种角度均产生负压区，随着入流角度增大，负压区面积也随之增大。当θ=30°和θ=45°时，压力最低点的位置均靠近交汇处；当θ=60°时，压力最低点开始远离交汇处。随着角度的增大，混合流体压力达到稳定的点逐渐后移。3结语利用Fluent软件对两股流体以不同入流角度进入三通混合的过程进行数值模拟，对管内的速度场和压力场进行分析，研究入流角度对三通管内流动效果的影响，得出以下结论：（1）当两股流体在三通管内进行混合时，管内速度产生明显分层，且随着入流角度的增大，交汇处的混合逐渐剧烈，涡流区面积逐渐增大，支管后的管壁上方产生速度与流动方向相反的区域。（2）流体混合时产生一定的负压区，负压区的面积随着入流角度的增大而增大。同时负压区的位置也随着入流角度的增大而逐渐向出口方向移动。（3）通过对管内流体的研究发现，三通角度不宜过大，入流角度过大时产生明显的涡流区，在低压区对管壁造成损坏，同时增大流动阻力、降低传质效率。