流体均流分布器流动与阻力特性及减阻优化研究

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在能源、化工、环境、建筑等领域,常采用流体均流分布器按需实现流体传输与分配,其作为流动分布枢纽,在流体输配系统中起着“承上启下”的作用。但由于不合理的设计、加工、安装、运行等因素,造成流体均流分布器内部压力分布不平衡,常导致流量不能“按需”分配或流动阻力损失增大,不但会造成系统能耗上升、性能下降,而且存在安全生产风险。因此,解决流动均布与减阻优化问题是提升流体输配系统性能的关键所在。流体均流分布器如分/集水器和静压箱等作为建筑流体输配系统中量大、面广的常用部件,多位于动力设备源头,在流动形式、阻力作用机理等方面存在诸多共性科学规律。本研究分别以分/集水器和静压箱为对象,采用理论分析、实验测试以及CFD数值计算相结合的方法,围绕流动分布与减阻优化展开研究。分析了流体均流分布器流量分配与阻力特性,并提出采用能量耗散函数“精准定位”流场高阻力区域,开展针对性减阻优化,最终形成低阻力-平顺化流场优化设计理论。具体研究内容如下:(1)以工程上传统“径向引入/引出”式分/集水器为对象,开展流量分配特性与流动分布规律研究。采用正交试验,以流量不均匀系数(Ф)与系统总压降(ΔPj)作为试验指标,确定了入口雷诺数、进/出口面积比、支管间距、集箱封头高度、并联支管数等设计参数对系统性能的影响程度及变化趋势。研究表明,分水器进/出口面积比(AR)对系统流动分布影响最为显著,为提高流量分配均匀性,应尽量减小面积比设计。此外,采用熵值法确定各指标权重,进行“流动均匀性-阻力特性”多属性评价,为流场优化方案科学比选提供理论指导。(2)提出以能量耗散函数表征流场阻力分布,实现系统高阻力区域“精准定位”。基于流体能量耗散函数分析,通过边壁优化抑制涡流掺混。对比多种消涡减阻方式后,提出将分水器集箱内置低阻导叶与接管边壁曲线优化相结合。通过逐级递进优化,给出了低阻分水器无量纲结构参数优化推荐值,并将该优化方式推广至不同入口雷诺数、并联支管数和集箱尺寸的一般情况,减阻率可达30%以上,节能效果显著。(3)以通风空调领域常用“一进一出”且1字型布置的通风管道式静压箱为对象,对其内部气流运动规律及阻力分布特性展开研究。经正交试验确定静压箱结构设计关键影响因素,并基于射流扩散特性分析,开展结构参数优化设计。通过类比自由射流扩张,判别箱内气流受限程度,最终得到箱体长度优化设计推荐值。此外,分析送风入口流动边界对静压箱流动与阻力分布特性的影响,并通过流场可视化实验验证气流分布规律。提出在箱体内部增设均流孔板进一步提升流动均匀性,并验证其在“一进多出”式静压箱结构设计中的适用性。(4)基于以上研究,从降低系统压力损失、平顺流动分布出发,通过对流体均流分布器进行流动特性与减阻优化研究,总结了低阻力-平顺化流场优化设计原理与方法,归纳了“径向引入/引出”式分/集水器,及通风管道式静压箱设计计算步骤,并应用于实际工程案例进行分析,阐明结构优化设计方法的适用性及合理性,为同类型流体均流分布器流动均布与减阻优化设计提供了理论支撑和技术指导。
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