多分支并联管道流量分配机理及算法的数值研究

摘要

常见流体在多分支并联管道中的流量分配问题具有极其广泛的工程应用背景,其中U型和Z型结构为实际工程应用中常见的两种经典并联管道模型。这两种多分支并联管道形式是石油化工、火电、锅炉、太阳能、核电、制冷等领域常用的重要流量分配装置。流体工质在此类并联管道中的流动状况(如流速、流量分配等)直接关系到设备的安全可靠性和经济性。从而,如何设计合理的管道系统来实现流量的均匀分配非常重要。为此,本文采用数值分析的方法对不同进出口压差及不同管道几何参数条件下并联管道系统内流体的流动特性进行了研究。
　　论文研究内容有:建立并联管道系统的流动模型;对所研究的并联管道区域进行离散;发展同位网格下已知压力边界条件的SIMPLE算法;计算在不同并联管道进出口压力差,不同集管管径条件下,管道系统的流动特性;进而对流动特性用常用的参数进行了表示,如轴向动量恢复系数,侧向动量修正系数,压降以及并联支管进出口处的轴向速度率。
　　结果表明,并联管道系统进出口压力差的变化对流量分配产生了一定影响,集管管径的变化给流量分配产生了较大的影响;在一定的条件下,若想获得较好的流量分配,可以尽可能增大集管管径。对流动特性采用轴向动量恢复系数、侧向动量修正系数、轴向速度率、局部阻力系数、沿程阻力系数等进行了表征后发现:轴向动量恢复系数在分流集管中是波动增加的,在汇集集管中是逐渐减小的;前九个支管进口处的侧向动量恢复系数在是逐渐增大的,第十个支管进口处出现了下降的情况,各并联支管出口处的侧向动量恢复系数呈现出先增大后减小的趋势;对于并联支管进出口处的轴向速度率,其变化规律与侧向动量恢复系数的变化规律基本上相同,只是在数值大小是有差别;对于局部阻力系数的研究,鉴于实际情况,从能量守恒的角度对其进行了定义,数值结果表明分流集管中每段管道部分的局部损失沿流动方向是逐渐增加的,汇集集管中是逐渐减小的;各并联支管中的沿程损失在靠近支管进口处变化比较剧烈,待流体通过涡流区后,随着流体的充分发展,其沿程损失变化趋一常值。研究结果还提供了一种可直接求解三维并联管道系统流体流动特性的数值方法,为工业应用的前期设计提供有效的方法。

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究动态

1.3 现有研究方法存在的问题

1.4 本文的主要工作

2Z型并联管道的数学模型

2.1 几何模型-内燃机车冷却水系统

2.2 描述方程

2.3 边界条件

3 数值方法

3.1 计算区域离散

3.2 网格解的独立性考核

3.3 描述方程的离散

3.4边界条件离散化

3.5 SIMPLE算法

3.6 求解方法-压力边界的SIMPLE算法

4 几种特定几何尺寸及流体工况下的流量分配

4.1 不同并联管道进出口压差下的流量分配

4.2 不同集管管径下的流量分配

4.3 流量分配不均匀的讨论

5 并联管道系统的流动能量特性

5.1 并联管道系统流体沿路径的全压变化

5.2 并联管道系统流体沿路径的静压变化

6 流动特性的参数化表示

6.1 轴向动量恢复系数βB

6.2 侧向动量修正系数γ

6.3 支管进出口处轴向速度率βW

6.4 并联支管流体沿程阻力系数f

6.5 集管流体局部阻力系数ζ

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参 考 文 献

附录A 符号表

攻读学位期间研究成果