不同布置形式并聯(lián)管組流動特性實驗研究

胡曉紅，楊化健，凡鳳仙 ，虞競洋

（1. 上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2. 中國電建集團核電工程有限公司設計咨詢院，濟南 250102）

并聯(lián)管組廣泛應用于鍋爐、換熱器、反應器、太陽能集熱器、發(fā)電機等設備中。并聯(lián)管組中集箱的靜壓因流動過程中各種阻力損失和并聯(lián)支管的分流、匯流引起的動量交換而分布不均勻，而集箱靜壓的不均勻又會導致并聯(lián)管支路間流量分配的不均勻[1-4]。并聯(lián)支管間流量分配不均勻直接影響設備運行經(jīng)濟性及可靠性，如鍋爐過熱器與再熱器集箱并聯(lián)管中流量分配不均是造成過熱器與再熱器傳熱性能下降及超溫爆管事故的重要原因之一[5-7]；發(fā)電機定子和轉子冷卻系統(tǒng)中并聯(lián)管流量分配不均是定、轉子軸向溫升不均勻的主要原因[8-9]；太陽能集熱器因并聯(lián)支管流量分布不均而導致集熱效率相對下降約20%[10]?？梢?，探究影響并聯(lián)管組流量分配特性的因素，對提高并聯(lián)管組流量分配均勻性具有重要現(xiàn)實意義。

國內外學者對并聯(lián)管流動特性及其影響因素開展了較多相關研究。如趙晴川[1]、別玉[10]、趙鎮(zhèn)南[11-12]、林友新[13]等根據(jù)動量守恒理論構建了Z 型或U 型布置并聯(lián)管系統(tǒng)各支管流量分配理論模型；韋曉麗[6]、Chi-Chuan Wang[14]、趙于[15]等對Z 型及U型布置并聯(lián)管組流動特性進行了實驗研究，獲得了沿集箱軸向各支管流量分配特性，并提出了流量均流措施。Schmitdt.J[16]、揚程[17]、Mahshid Mohammadi[18]等采用數(shù)值計算方法對并聯(lián)管系統(tǒng)的流量分配理論計算方法進行研究，獲得了并聯(lián)管分流和匯流處的詳細流動情況。目前，并聯(lián)管系統(tǒng)的研究多采用理論或數(shù)值計算的分析方法對Z 型或U 型的流動特性進行分析，而針對不同布置形式對并聯(lián)管流量分配特性的研究很少。基于并聯(lián)管系統(tǒng)結構特征，設計搭建了并聯(lián)管流動特性實驗裝置，并對幾種典型布置的并聯(lián)管系統(tǒng)集箱靜壓分布及并聯(lián)支管流量分配特性開展研究，實驗結果可為并聯(lián)管系統(tǒng)流量均勻優(yōu)化設計提供參考[10，14，19]。

1 并聯(lián)管系統(tǒng)流動特性分析

進口集箱流動系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。下面以等截面進口集箱流動系統(tǒng)為例，具體分析集箱的靜壓分布情況。

圖 1 進口集箱流動系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inlet header flow system

圖 2 出口集箱流動系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of outlet header flow system

截面1-1 與截面n-n之間的能量方程式為：

流動介質沿集箱軸向流動的過程中，由于并聯(lián)支管不斷分流使得集箱軸向速度逐漸降低，各截面動壓沿軸向逐漸減?。蝗艏渲袩o壓力損失，則減小的動壓全部轉換為靜壓。但由于集箱軸向壓力損失的存在，必然消耗部分靜壓增值，使動壓的減少不可能完全轉化為靜壓。根據(jù)壓力損失大小，介質軸向流動可能會出現(xiàn)以下3 種情況：

由式（4）和（5）可知，若要使各并聯(lián)支管流量均勻，則應確保各并聯(lián)支路入口、出口靜壓保持基本一致，即進、出口集箱靜壓分布盡可能均勻。

2 實驗裝置設計與實驗方法

2.1 實驗裝置設計

并聯(lián)管組流動特性實驗裝置如圖3 所示。實驗裝置主要由儲水箱、循環(huán)水泵、進口集箱、出口集箱、并聯(lián)支管以及測量系統(tǒng)組成。儲水箱設置了溢流槽，以保證實驗期間水壓的穩(wěn)定。循環(huán)水泵處設有帶調節(jié)閥的回流管，可根據(jù)需求調節(jié)不同流量工況。實驗裝置在進口集箱和出口集箱的兩端和中間連接管各安裝了三個截止閥（C1 ～ C6），通過閥門的開關可改變進口集箱和出口集箱上流體的引入、引出型式，如僅開C1、C6 就是Z 型分布，僅開C1、C3、C6 就是J 型分布，同理可以調節(jié)其他幾類分布，典型布置形式如圖4 所示。

圖3 并聯(lián)管組流量分配實驗裝置Fig.3 The experimental device for flow distribution of parallel pipes

圖4 并聯(lián)管典型布置形式Fig.4 The typical layout of parallel pipes

實驗裝置共有13 根蛇型并聯(lián)支管，其中6 根并聯(lián)支管上設有流量測點，用于測量各并聯(lián)支管的流量；在進口集箱和出口集箱各支管處設有靜壓測點，用于測量進口集箱和出口集箱上的靜壓分布情況。

2.2 實驗方法

實驗裝置可進行不同流量下進口集箱和出口集箱靜壓分布研究；也可進行不同引入、引出方式下進口集箱和出口集箱的靜壓分布和并聯(lián)支管流量分配研究；此外還可以進行某支管堵塞情況下，進口集箱、出口集箱靜壓分布及其他并聯(lián)支管流量分配等情況模擬。實驗裝置操作簡便、運行穩(wěn)定，具體實驗步驟如下：選擇所要進行的引入、引出模式；開啟循環(huán)水泵，調節(jié)循環(huán)水泵處閥門，將流量調節(jié)至設計的實驗工況；待流動穩(wěn)定即可記錄各進出口集箱靜壓值及并聯(lián)支管流量。在實驗過程中進出口集箱靜壓由測壓排管測量，循環(huán)水流量由渦輪流量計測量，并聯(lián)支管流量由文丘里流量計測量。

3 實驗結果分析

應用搭建的實驗裝置，對六種典型布置的并聯(lián)管系統(tǒng)進行實驗研究，以獲得不同布置方式集箱靜壓分布及并聯(lián)支管流量分布情況。

3.1 不同布置方式分配與出口集箱靜壓分布

圖5 給出了相同循環(huán)流量（380 L/h）下不同布置形式進口集箱和出口集箱的靜壓分布。從圖中可以看出，不同布置方式，其進口集箱和出口集箱的靜壓分布各不相同。Z 型布置中進口集箱的靜壓從左至右逐漸升高，而出口集箱則呈現(xiàn)相反趨勢；J 型布置進口集箱靜壓呈現(xiàn)中間高兩頭低，出口集箱靜壓從左至右逐漸升高；T 型布置進口集箱靜壓呈現(xiàn)中間高兩頭低，出口集箱則呈現(xiàn)相反趨勢，即兩頭高中間低；U 型布置進口集箱和出口集箱靜壓均呈現(xiàn)從左至右逐漸升高趨勢；I 型布置進口集箱和出口集箱靜壓均呈現(xiàn)出兩頭高中間低趨勢；H 型布置進口集箱和出口集箱靜壓均呈現(xiàn)出兩頭低中間高的特點。集箱沿流動方向的靜壓變化主要由沿程阻力和支管分流、匯流局部阻力引起的動靜壓轉化兩部分構成。對于進口集箱，沿程阻力使靜壓沿流動方向逐步降低，而支管分流引起的動量交換使得靜壓增大。當沿程阻力占主導地位時，靜壓沿流動方向單調遞減；當動量交換占主導地位時，集箱沿流動方向單調遞增。本文所研究進口集箱，集箱長徑比L/D≤1.52 / λ，即集箱為壓力恢復型，集箱靜壓分布遞增[21]。對于出口集箱，沿程阻力使靜壓沿流動方向逐步降低，而支管匯流引起的動量交換使得靜壓亦降低，為此，靜壓沿流動方逐漸遞減。

圖5 不同布置形式集箱靜壓分布Fig.5 The static pressure distribution of parallel pipes system

3.2 不同布置并聯(lián)支管流量分布結果分析

根據(jù)式（5），各并聯(lián)支管流量分布取決于其所對應的進口集箱和出口集箱的靜壓。因集箱沿程阻力及并聯(lián)支管的不斷分流、匯流使得進口集箱和出口集箱靜壓分布不均勻，最終導致各并聯(lián)支管流量分布不均勻。

各支管流量偏差系數(shù)η為：

圖6 給出了相同循環(huán)流量（380 L/h）下不同布置形式并聯(lián)支管流量分配情況。從圖6 可以看出不同布置形式的并聯(lián)管組其流量分配差異很大。Z 型布置各支管流量從左至右逐漸增大； J 型與U 型各支管流量則從左至右逐漸遞減；T 型與I 型各支管流量分配規(guī)律比較相似，均為中間高兩端低；H 型布置各支管流量偏差較小，比較均勻。根據(jù)式（5）可知并聯(lián)支管流量主要取決于其入口、出口靜壓，若進、出口集箱靜壓分布均勻，則其并聯(lián)支管流量分配均勻。由圖（5）可知不同布置形式的并聯(lián)管組進口集箱靜壓分布比出口集箱均勻，對于本文研究的并聯(lián)管不同布置方式其并聯(lián)支管流量不均勻程度主要取決于出口集箱的靜壓，對比圖（5）、（6）可知并聯(lián)支管流量分布規(guī)律與出口集箱靜壓分布規(guī)律相反。對于Z 型布置，出口集箱靜壓從左到右逐漸降低，各并聯(lián)支管進、出口壓差從左到右逐漸增大，所以其流量從左至右逐漸增大；J 型與U 型出口集箱靜壓從左到右逐漸升高，其并聯(lián)支管流量則從左至右逐漸遞減；其余布置方式其流量分配規(guī)律亦與出口集箱靜壓分布相反。

圖6 不同布置方式并聯(lián)支管流量分布Fig.6 The flow distribution of typical parallel pipes system

圖7 給出了相同循環(huán)流量（380 L/h）下不同布置形式各并聯(lián)支管的流量不均勻程度。由圖7 可知Z型布置和J 型布置各并聯(lián)支管流量偏差較大，其中Z型布置的不均勻程度最大，μ為0.16，即該布置方式較其他布置流量分配最不均勻；J 型布置時μ為0.15；U 型布置時，μ為0.11；I 型布置時，μ為0.09；T 型布置時，μ為0.08；H 型布置的流量分配最均勻，μ為0.04。對于典型布置形式Z 型和U 型，U 型布置各支管的流量均勻性優(yōu)于Z 型，這主要是由于U 型布置各支管進出口壓差分布比Z 型布置更均勻。對于H 型布置，因其在進口集箱和出口集箱均設置引入引出，相同循環(huán)流量下其進口集箱和出口集箱中流量相對減小，即軸向速度降低，由動能轉變的靜壓升高相對較低，使其進口集箱和出口集箱靜壓分布均勻，所以其并聯(lián)支管流量分配最均勻。

圖7 不同布置方式并聯(lián)管組不均勻程度Fig.7 The unevenness of typical parallel pipes system

3.3 總循環(huán)流量對各支管流量偏差的影響

圖8 給出了Z 型分布在三種不同循環(huán)流量下各并聯(lián)支管流量分配情況。由圖可知三種不同循環(huán)流量下Z 型布置各并聯(lián)支管流量均為非均勻分布，且隨著循環(huán)流量增加，其不均勻程度加劇。循環(huán)流量為250 L/h 時，不均勻系數(shù)μ為0.10；流量為300 L/ h 時，μ為0.13；流量為350 L/h 時，μ為0.14。這主要是由于集循環(huán)流量增加，進口集箱及出口集箱軸向速度增大，集箱流動阻力增大，尤其是在支管分流處，集箱軸向速度越大，分流處渦流越強，渦流越強支管流量分配越不均勻[15]。

圖8 不同循環(huán)流量下Z 型布置并聯(lián)支管流量分布Fig.8 The flow distribution of Z-type with different circulating flows

4 結束語

本文設計了并聯(lián)管系統(tǒng)流動特性實驗裝置，在該實驗裝置上進行了6 種布置方式并聯(lián)管系統(tǒng)的靜壓分布及并聯(lián)支管流量分配情況研究，得出如下結 論：

（1）不同布置方式，其進口集箱和出口集箱的靜壓分布各不相同。不同布置形式集箱內流體隨著支管的分流與匯流，其沿流動方向動壓不斷變化，進口分配集箱當動量交換占據(jù)主導地位時，靜壓沿流動方向單調遞增；出口集箱靜壓沿流動方向單調遞減。

（2）6 種典型布置并聯(lián)管系統(tǒng)各支管流量分配規(guī)律主要取決于出口集箱的靜壓，其分布規(guī)律與出口集箱靜壓分布規(guī)律相反。

（3）同一循環(huán)流量下，Z 型布置的不均勻程度最大， 為0.16；H 型布置的流量分配最均勻， 為0.04。

（4）循環(huán)流量增加，Z 型布置各并聯(lián)支管流量不均勻程度加劇。