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《集管系统压力与流量分布的研究_U型布置时的分析解.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷 第4期太 阳 能 学 报Vol120,No141999年10月ACTAENERGIAESOLARISSINICAOct.,1999集管系统压力与流量分布的研究a——(É)U型布置时的分析解赵镇南(天津大学,天津300071)文 摘:根据基本的质量和动量守恒定律建立U型布置时集管系统压力与流量分布的数学解析模型。将微分方程式无量纲化并从中导出一个综合反映集管系统流量分布状态的性能参数B。对于联箱阻力远远低于支管阻力的情况,得出相应于不同B的分析解。对影响集管系统的压力、流量分布的主要因素及各项参数的物理意义作了详细的分析讨论,得到对集管系统的设计有指
2、导意义的结论。关键词:U型集管系统,分流,汇流,综合性能参数,静压变化系数0 引 言具有两个集管(联箱)的流动分配系统应用非常普遍,如锅炉的受热面、各种热交换器及其系统和太阳能热利用中的各类集热器,都会在设计中遇到集管系统的压力分布和流量分配问题。迄今为止,多数场合仍按均匀流量分布来处理,如平板太阳集热器及系统的性能分析、计算和测试始终基于均匀流动分布假设;板式换热器的流道及系统设计、性能测试,无论多少通道并联也一律按照所有流道具有相同流量来考虑。这种简化处理在相当多的情况下给设计和性能预测带来可观的误差,有时候甚至会造成更严重的后果。[1]为此不断有学者用
3、不同的方式、从不同的角度研究这个问题。罗永浩等人指出,目前大型锅炉设计中经常采用的几种简化方法存在重大缺陷,并用离散代数方程建立集管系统的流量分配模型,但动量方程式中未计入流体从联箱进、出支管时带出或带入控制体的动量,其静[7]压变化系数Kd的定义亦与习惯不同。王恩禄等人分析了所谓静压分布参数Cf的概念。实际[4]上R.A.Bajura在1971年就已经明确了这个参数的定义,而且对分流联箱应恒有Cf≤1,讨[6]论Cf≥2时联箱中的压力分布已没有意义。王兴安等人对平板太阳集热器联箱的等温流动建立了离散化的代数方程组,经数值计算得出了一些很有益的结果。但是代数
4、方程组计算工作量大,而且不容易得到对整个问题物理全貌的深刻理解,也很难发现对问题有重要影响的综合性参数。本文从基本的连续性方程和动量方程出发,建立U型布置时联箱的速度微分方程,在联箱摩擦阻降大大低于支管总阻降的条件下得出了联箱中的压力分布、支管中的流量分布以及整个系统总阻降的解析式,并从对微分方程无量纲化的过程中导出综合性能参数B,对影响压力、流量分布的主要因素进行了详细的分析讨论。a本文1998207222收到378太 阳 能 学 报20卷 1 集管系统的理论分析模型111U型布置与Z型布置常用的集管系统有两种典型的布置型式,U型和Z型。也有人把它
5、们称为逆流与顺流。显然,两者的入口联箱即分流联箱的流动情况没有区别,不同的只是上联箱即汇流联箱的流动方向。集管系统支管中的流量分布状况归根结底取决于联箱中流体压力沿轴向的变化,而压力的变化规律则受以下两方面因素的制约:(1)联箱中的沿程摩擦阻力;(2)由于分流和汇流造成联箱中流体动量的沿程变化。两种布置方式流体的流动方向不同,两种因素联合作用的总效果就不一样,这才是造成Z型与U型布置具有不同的流量分配状况的根本原因。(a)U型布置 (b)Z型布置图1 集管系统的两种典型布置方式112 基本假设(1)上、下联箱均为不变径的直管;(2
6、)联箱和支管内均为一维等温不可压缩流动,流体具有常物性;(3)联箱中的摩擦系数恒定不变;(4)支管等间隔密集布置,不考虑两个联箱的位置高差。113 数学模型11311 入口联箱所取控制体积参见图2(a)。其质量守恒方程为dTiQAiTi-QAi[Ti+$x]=QAbTb(1)dx从中可以解出支管中的速度vb。X方向的动量守恒方程为2dpidTi2piAi-pi+$xAi-SwPDi$x=QAiTi+$x-Q!iTi+Q!bTbTx(2)dxdx上式右侧最后一项表示分流时流量为Q!bTb的流体在离开控制体积时所带出的动量。Tx表示分叉点处X方向的速度分量。令:
7、Tx=KiTi,速度比Ki称为静压恢复系数。引入管流摩擦系数和壁面剪切应力关系后可得出入口联箱的动量微分方程:1dpifi2dvi+Ti+(2-Ki)Ti=0(3)Qdx2Didx1.3.2 出口联箱参见图2(b),与入口联箱类似,有如下质量守恒方程和动量守恒方程:4期 赵镇南:集管系统压力与流量分布的研究——(É)U型布置时的分析解379dTeQAeTe=QAeTe+$x+QAbTb(4)dx2dpedTe2peAe-pe+$xAe+SwPDe$x=QAeTe+$x-QAeTe+QAbTbT′x(5)dxdx由式(4)同样可以得出支管中的流速。这里
8、,T′x表示汇流时从支管进联箱的流体具有的x方向的分
