基于Fluent的三通管数值模拟及分析

第40卷第2期 当 代 化 工 Vol.40，No. 2 2011年2月 Contemporary Chemical Industry February，2011

收稿日期： 2010-08-17

作者简介： 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

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）

摘 要：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。 关 键 词：Fluent；三通管；模拟分析；分布图

中图分类号： TQ 018 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2011）02-0165-03

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 ）

Abstract : 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. Key words : Fluent three-way ；Connection pipe ；Simulation analysis ；Distribution graphs

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]

：

0)()()(=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂z

y x t z y x νννρρρρ （1） 式中：V x ，V y ，V z 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：

Y G G x x M b k i

t i k t k −+++∂∂+∂∂=ρεσμρ

μ)[(d d （2） K K k t C G C G C x x b

K i

t i εμρεσμερεεε2

231)(])[(d d −++∂∂+∂∂= （3）

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式中：对于不可压缩流体, G b = 0, Y M = 0,在Fluent 中，作为系统默认值常数，C 1ε=1.44, C 2ε=1.92, C 3ε=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/m 3

，

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

压力分布图如图

5、6。

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