水平并联配管介质流量分配特性研究

摘要

并联配管广泛应用于锅炉、化工生产设备、天然气液化装置、汽车空调等换热设备中。在生产中,并联配管支路间介质流量分配不均是引起换热设备整体效率和安全性下降的重要原因。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,分别研究了并联主管和支管水平放置方式下,单相介质(空气)和气液两相介质(空气和水)在并联的四个支管间的流量分配特性;对压力场、速度场等相关数据进行了分析,讨论了流体分布不均与工况因素、结构因素之间的关系。
　　单相介质工况下,通过对长1200mm、内径30mm的主管上分别应用直角T型三通结构和弯管过渡T型三通结构并联四个内径15mm、长300mm的并联分支系统进行数值模拟和实验研究,获得了以下结论:
　　采用直T型结构并联时,支管间流量分配规律为从靠近入口的第1根支管到第4根支管依次升高,这与主管内静压分布依次升高的分布趋势相同;采用弯T型结构并联时,支管间介质流量从第一根支管到第四根支管呈现先升高后减小的趋势,主管内的静压分布也与支管出口流量分配趋势相同。通过数值模拟分析不同的工况因素和结构因素对流量分配特性的影响,发现采用直T型结构情况下,并联配管间不均匀度STD随入口表观速度的增加逐渐增加;采用弯T型结构时,并联配管间不均匀度STD受入口表观速度的影响很小;主管和支管管径比的增加会使支管间的流量分配更加均匀,可有效降低介质流量分配的不均匀度;在研究对象几何尺度下,管间距的变化对沿程阻力影响效果不明显,对并联配管内整体不均匀度影响很小;分支管与主管联接处采用弯管过渡的T型连接与直角T型连接相比,可显著改善支管间的流量分配均匀度,且以第一根支管到第四根支管与主管间连接弯曲半径逐渐减小的连接方式最优。
　　采用可视化实验研究的方法,获得了水平并联配管四支管出口气液两相分配的特性,确定了主管内流型的转化规律。分析了气液两相工况因素对并联配管内四支管出口流量分配特性的影响,实验测试了结构优化前后的流量均配效果。
　　研究范围内,环状流工况下获得的气相不均匀度STD在5％左右,液相不均匀度STD在35％以上。液相分配不均是环状流在并联配管内质量分配不均匀的主要原因。实验发现,直T型并联配管内四支管气相出口流量表现为靠近来流方向的第1根支管和远离来流方向的第4根支管远低于中间两支管的出口流量;液相分配规律与气相分配规律相反,表现为中间两支管的液相流量远高于两边支管流量。增加进口气相表观速度能有效降低液相不均匀度;增加进口液相表观速度使液相不均匀度明显增加;工况因素对于气相在支管间分配不均匀度的影响很小。因此,在合理范围内增加进口气相表观速度是降低整体不均匀度的有效方法。采用弯T型并联结构优化主管和支管间的联接后,液相在支管间分配的不均匀度STD下降40％以上;气相介质的不均匀性有升高的趋势,但气相不均匀性变化范围较小,不均匀度STD仍保持5％以下。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 并联配管内介质流动特性的实验研究

1．2．2 并联配管内介质流动特性的数值模拟

1．2．3 并联配管内流体均布特性的理论研究

1．3 本文的主要研究内容

第二章 并联配管内单相介质流动实验及分析

2．1 实验系统

2．2 实验原理

2．3 实验步骤

2．4 实验注意事项

2．5 实验误差分析

2．6 实验数据处理方法

2．7 单相介质流量分配特性分析

2．7．1 实验参数范围

2．7．2 直T型并联配管内流量分配特性分析

2．7．3 弯T型并联配管内流量分配特性分析

2．8 本章小结

第三章 并联配管内单相介质流动分配数值模拟分析

3．1．1 物理模型

3．1．2 控制方程

3．1．3 网格划分及边界条件

3．1．4 模拟参数范围

3．2 模拟结果分析

3．2．1 压力分析

3．2．2 速度分析

3．2．3 实验与模拟结果对比

3．3 结构因素对流量分配特性的影响

3．3．1 管径比对流量分配特性的影响

3．3．2 管间距对流量分配特性的影响

3．3．3 主支管连接方式对流量分配特性的影响

3．4 工况因素对流量分配特性的影响

3．5 本章小结

第四章 并联配管内两相介质流动实验研究

4．1 并联配管内两相流实验

4．1．1 实验系统

4．1．2 实验步骤

4．1．3 实验注意事项

4．2．1 可视化分析

4．2．2 支管出口气液分布规律

4．3 两相流量分配特性影响因素分析

4．3．1 结构因素对流量分配特性的影响

4．3．2 工况因素对流量分配特性的影响

4．4 不均匀度变化规律

4．5 本章小结

第五章 全文总结及展望

5．1 主要研究内容及结论

5．2 主要创新点

5．3 不足及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文及获奖情况