【摘要】：分集水系統(tǒng)在能源、化工、環(huán)境等工程中得到了廣泛應(yīng)用。分集水器以其特殊的構(gòu)造在系統(tǒng)中起著‘承上啟下’的作用,其作為系統(tǒng)管路的樞紐,影響著系統(tǒng)管路的流量分配以及壓力分布。因此,分集水器的選型和設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的運(yùn)行效率和使用壽命至關(guān)重要。此外,分集水器作為系統(tǒng)的一部分,可以看作多個三通的耦合結(jié)構(gòu),與系統(tǒng)中諸多的彎頭、三通等局部構(gòu)件共同分擔(dān)系統(tǒng)的能量損失。所以對于該結(jié)構(gòu)的特性分析和優(yōu)化研究具有重要的意義。對分集水器的流量特性進(jìn)行了CFD模擬,并給出了分集水器的設(shè)計(jì)建議。采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了異形構(gòu)造的分集水器,得到一種流量與減阻的協(xié)同的分集水器結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明:1.分水器出水支管總面積與進(jìn)水總管面積比AR、支管數(shù)N和倒圓角R對流量分布的影響顯著,管間距l(xiāng)和Re數(shù)對流量分配影響較弱。當(dāng)AR接近1時分水器的流量分布更趨于均勻(規(guī)范給出的分水器的規(guī)格范圍是1~3)。2.對分水器進(jìn)行CFD研究,提出分水器的幾種改進(jìn)方案,得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,提高并聯(lián)管路的流量分配均勻性,降低系統(tǒng)的阻力,結(jié)果表明:(1)以集箱直徑為40mm、支管直徑為25mm、支管數(shù)為4的分水器第一支路為例,在第一根支管旁通處添加不同長度的直插式導(dǎo)流片以及不同弦長的對稱機(jī)翼型導(dǎo)流片,發(fā)現(xiàn)當(dāng)長度為2d的直導(dǎo)流片和弦長為2d的機(jī)翼型導(dǎo)流片的三通旁通減阻效果較好,分別為12.6%和9.29%。(2)不同面積比和流量比下,添加不同導(dǎo)流片的T型分流三通減阻,當(dāng)流量比Q_σ/Q_c0.3,面積比F_σ/F_c0.4時添加導(dǎo)流片,減阻效果達(dá)4%-10%。(3)T型分流三通直通和旁通銜接面倒圓角時,當(dāng)流量比Q_σ/Q_c≤0.4時,隨著流量比的增加減阻效果逐漸增加,這是因?yàn)殡S著流量比的增加三通處的回流區(qū)域減小,由于邊界層分離造成的阻力減小。當(dāng)流量比Q_σ/Q_c0.4且Q_σ/Q_c0.6時,倒圓角的減阻率趨于穩(wěn)定,即邊界層分離造成的阻力趨于穩(wěn)定。當(dāng)流量比Q_σ/Q_c0.6,三通倒角減阻效果減緩,說明隨著支管流速的增加流體與壁面碰撞造成的局部阻力增加。(4)以直徑為40mm、支管間距為25mm、支管數(shù)為4的分水器為例,在第一和第二支管處添加長度為2d的直導(dǎo)流片,以及在第一根支管三通處倒拋物線能夠使分水器的流量更加均勻分配,流量不均勻率降低到5%以下,分水器系統(tǒng)阻力能夠降低34%。3.將三通的減阻策略應(yīng)用于傳統(tǒng)集水器系統(tǒng)中,分別對集水器的幾種改進(jìn)方案進(jìn)行了研究,得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,結(jié)果表明:(1)以集箱直徑為40mm、支管直徑為25mm、支管數(shù)為4的集水器末端支路為例,在末端支管旁通處添加合適的速度分配器,三通旁通的減阻效果較好,減阻率為20.32%。(2)以集箱直徑為40mm、支管直徑為25mm、支管數(shù)為4的集水器末端支路為例,一、二、三、四支管三通處倒角,四支管同時添加速度分配器,系統(tǒng)減阻效果較好,能夠達(dá)到30%,但是系統(tǒng)的流量偏差依舊較大。4.作者探索了6種異形結(jié)構(gòu)的分集水器:非對稱‘卜’形、對稱‘卜’形結(jié)構(gòu)、交叉‘卜’形結(jié)構(gòu)、非對稱‘鐮刀’形結(jié)構(gòu)、對稱‘鐮刀’形結(jié)構(gòu)以及對稱‘樹狀’形結(jié)構(gòu)。研究表明,對稱‘鐮刀’形結(jié)構(gòu)和對稱‘樹狀’形結(jié)構(gòu)的分水器流量更加均勻,流量不均勻率降低到5%以下,系統(tǒng)減阻效果較好,能夠達(dá)到61%。對稱‘卜’形結(jié)構(gòu)和對稱‘樹狀’形結(jié)構(gòu)的集水器流量更加均勻,流量不均勻率降低到1%以下,系統(tǒng)減阻效果較好,能夠達(dá)到64%。
【圖文】：

2 并聯(lián)管路管內(nèi)流動基本理論華[20]關(guān)于并聯(lián)管路的流流量分布的研究，得出并聯(lián)管路的流量不均是固有屬性，給出 Z 型和 U 型并聯(lián)管集箱的壓力分布圖。圖 2.1 和圖 型并聯(lián)管路的壓力分布圖，通過壓力分布示意圖可以發(fā)現(xiàn)，U 型并聯(lián)并聯(lián)管路的流量分配更加均勻，實(shí)際上 U 型并聯(lián)管路的流量偏差依然文研究的分集水器的物理模型即 U 型并聯(lián)管路，從 U 型并聯(lián)管路的意圖可知，分流集箱沿集箱方向靜壓遞增，這是由于在沿分流集箱方，動能減少，靜壓能增加，靜壓能的增加量大于沿程損失能，屬于典復(fù)型管組[13]。壓力恢復(fù)型并聯(lián)管組分流集箱靜壓沿程上升，匯流集箱降，支管流量沿分流集箱流體流向單調(diào)下降，，最小流量在集箱末端，近管組進(jìn)口處。圖 2.2(b)中的紅線即為本文通過減阻方式擬達(dá)到的壓方法旨在減阻與流量的協(xié)同優(yōu)化。

分流集箱沿集箱方向靜壓遞增，這是由于在沿分流集箱方動能減少，靜壓能增加，靜壓能的增加量大于沿程損失能，屬于典型管組[13]。壓力恢復(fù)型并聯(lián)管組分流集箱靜壓沿程上升，匯流集箱，支管流量沿分流集箱流體流向單調(diào)下降，最小流量在集箱末端，管組進(jìn)口處。圖 2.2(b)中的紅線即為本文通過減阻方式擬達(dá)到的壓法旨在減阻與流量的協(xié)同優(yōu)化。(a) (b) 型并聯(lián)管路壓力分布 (a) Z 型并聯(lián)管路物理模型 (b) Z 型并聯(lián)管路壓力分布示
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU832

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2710824