地面辐射采暖分集水器减阻及结构优化模拟

发布时间：2020-06-13 07:09

【摘要】：分集水系统在能源、化工、环境等工程中得到了广泛应用。分集水器以其特殊的构造在系统中起着‘承上启下’的作用,其作为系统管路的枢纽,影响着系统管路的流量分配以及压力分布。因此,分集水器的选型和设计对系统的运行效率和使用寿命至关重要。此外,分集水器作为系统的一部分,可以看作多个三通的耦合结构,与系统中诸多的弯头、三通等局部构件共同分担系统的能量损失。所以对于该结构的特性分析和优化研究具有重要的意义。对分集水器的流量特性进行了CFD模拟,并给出了分集水器的设计建议。采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了异形构造的分集水器,得到一种流量与减阻的协同的分集水器结构。研究结果表明:1.分水器出水支管总面积与进水总管面积比AR、支管数N和倒圆角R对流量分布的影响显著,管间距l和Re数对流量分配影响较弱。当AR接近1时分水器的流量分布更趋于均匀(规范给出的分水器的规格范围是1~3)。2.对分水器进行CFD研究,提出分水器的几种改进方案,得到优化设计方案,提高并联管路的流量分配均匀性,降低系统的阻力,结果表明:(1)以集箱直径为40mm、支管直径为25mm、支管数为4的分水器第一支路为例,在第一根支管旁通处添加不同长度的直插式导流片以及不同弦长的对称机翼型导流片,发现当长度为2d的直导流片和弦长为2d的机翼型导流片的三通旁通减阻效果较好,分别为12.6%和9.29%。(2)不同面积比和流量比下,添加不同导流片的T型分流三通减阻,当流量比Q_σ/Q_c0.3,面积比F_σ/F_c0.4时添加导流片,减阻效果达4%-10%。(3)T型分流三通直通和旁通衔接面倒圆角时,当流量比Q_σ/Q_c≤0.4时,随着流量比的增加减阻效果逐渐增加,这是因为随着流量比的增加三通处的回流区域减小,由于边界层分离造成的阻力减小。当流量比Q_σ/Q_c0.4且Q_σ/Q_c0.6时,倒圆角的减阻率趋于稳定,即边界层分离造成的阻力趋于稳定。当流量比Q_σ/Q_c0.6,三通倒角减阻效果减缓,说明随着支管流速的增加流体与壁面碰撞造成的局部阻力增加。(4)以直径为40mm、支管间距为25mm、支管数为4的分水器为例,在第一和第二支管处添加长度为2d的直导流片,以及在第一根支管三通处倒抛物线能够使分水器的流量更加均匀分配,流量不均匀率降低到5%以下,分水器系统阻力能够降低34%。3.将三通的减阻策略应用于传统集水器系统中,分别对集水器的几种改进方案进行了研究,得到优化设计方案,结果表明:(1)以集箱直径为40mm、支管直径为25mm、支管数为4的集水器末端支路为例,在末端支管旁通处添加合适的速度分配器,三通旁通的减阻效果较好,减阻率为20.32%。(2)以集箱直径为40mm、支管直径为25mm、支管数为4的集水器末端支路为例,一、二、三、四支管三通处倒角,四支管同时添加速度分配器,系统减阻效果较好,能够达到30%,但是系统的流量偏差依旧较大。4.作者探索了6种异形结构的分集水器:非对称‘卜’形、对称‘卜’形结构、交叉‘卜’形结构、非对称‘镰刀’形结构、对称‘镰刀’形结构以及对称‘树状’形结构。研究表明,对称‘镰刀’形结构和对称‘树状’形结构的分水器流量更加均匀,流量不均匀率降低到5%以下,系统减阻效果较好,能够达到61%。对称‘卜’形结构和对称‘树状’形结构的集水器流量更加均匀,流量不均匀率降低到1%以下,系统减阻效果较好,能够达到64%。
【图文】：

并联管路,压力分布,物理模型,集箱

2 并联管路管内流动基本理论华[20]关于并联管路的流流量分布的研究，得出并联管路的流量不均是固有属性，给出 Z 型和 U 型并联管集箱的压力分布图。图 2.1 和图型并联管路的压力分布图，通过压力分布示意图可以发现，U 型并联并联管路的流量分配更加均匀，实际上 U 型并联管路的流量偏差依然文研究的分集水器的物理模型即 U 型并联管路，从 U 型并联管路的意图可知，分流集箱沿集箱方向静压递增，这是由于在沿分流集箱方，动能减少，静压能增加，静压能的增加量大于沿程损失能，属于典复型管组[13]。压力恢复型并联管组分流集箱静压沿程上升，汇流集箱降，支管流量沿分流集箱流体流向单调下降，，最小流量在集箱末端，近管组进口处。图 2.2(b)中的红线即为本文通过减阻方式拟达到的压方法旨在减阻与流量的协同优化。

并联管路,压力分布,集箱,物理模型

分流集箱沿集箱方向静压递增，这是由于在沿分流集箱方动能减少，静压能增加，静压能的增加量大于沿程损失能，属于典型管组[13]。压力恢复型并联管组分流集箱静压沿程上升，汇流集箱，支管流量沿分流集箱流体流向单调下降，最小流量在集箱末端，管组进口处。图 2.2(b)中的红线即为本文通过减阻方式拟达到的压法旨在减阻与流量的协同优化。(a) (b) 型并联管路压力分布 (a) Z 型并联管路物理模型 (b) Z 型并联管路压力分布示
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU832

【参考文献】