不同布置形式并联管组流动特性实验研究

胡晓红，杨化健，凡凤仙 ，虞竞洋

（1. 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2. 中国电建集团核电工程有限公司设计咨询院，济南 250102）

并联管组广泛应用于锅炉、换热器、反应器、太阳能集热器、发电机等设备中。并联管组中集箱的静压因流动过程中各种阻力损失和并联支管的分流、汇流引起的动量交换而分布不均匀，而集箱静压的不均匀又会导致并联管支路间流量分配的不均匀[1-4]。并联支管间流量分配不均匀直接影响设备运行经济性及可靠性，如锅炉过热器与再热器集箱并联管中流量分配不均是造成过热器与再热器传热性能下降及超温爆管事故的重要原因之一[5-7]；发电机定子和转子冷却系统中并联管流量分配不均是定、转子轴向温升不均匀的主要原因[8-9]；太阳能集热器因并联支管流量分布不均而导致集热效率相对下降约20%[10]。可见，探究影响并联管组流量分配特性的因素，对提高并联管组流量分配均匀性具有重要现实意义。

国内外学者对并联管流动特性及其影响因素开展了较多相关研究。如赵晴川[1]、别玉[10]、赵镇南[11-12]、林友新[13]等根据动量守恒理论构建了Z 型或U 型布置并联管系统各支管流量分配理论模型；韦晓丽[6]、Chi-Chuan Wang[14]、赵于[15]等对Z 型及U型布置并联管组流动特性进行了实验研究，获得了沿集箱轴向各支管流量分配特性，并提出了流量均流措施。Schmitdt.J[16]、扬程[17]、Mahshid Mohammadi[18]等采用数值计算方法对并联管系统的流量分配理论计算方法进行研究，获得了并联管分流和汇流处的详细流动情况。目前，并联管系统的研究多采用理论或数值计算的分析方法对Z 型或U 型的流动特性进行分析，而针对不同布置形式对并联管流量分配特性的研究很少。基于并联管系统结构特征，设计搭建了并联管流动特性实验装置，并对几种典型布置的并联管系统集箱静压分布及并联支管流量分配特性开展研究，实验结果可为并联管系统流量均匀优化设计提供参考[10，14，19]。

1 并联管系统流动特性分析

进口集箱流动系统示意图如图1 所示。下面以等截面进口集箱流动系统为例，具体分析集箱的静压分布情况。

图 1 进口集箱流动系统示意图Fig.1 Schematic diagram of inlet header flow system

图 2 出口集箱流动系统示意图Fig.2 Schematic diagram of outlet header flow system

截面1-1 与截面n-n之间的能量方程式为：

流动介质沿集箱轴向流动的过程中，由于并联支管不断分流使得集箱轴向速度逐渐降低，各截面动压沿轴向逐渐减小；若集箱中无压力损失，则减小的动压全部转换为静压。但由于集箱轴向压力损失的存在，必然消耗部分静压增值，使动压的减少不可能完全转化为静压。根据压力损失大小，介质轴向流动可能会出现以下3 种情况：

由式（4）和（5）可知，若要使各并联支管流量均匀，则应确保各并联支路入口、出口静压保持基本一致，即进、出口集箱静压分布尽可能均匀。

2 实验装置设计与实验方法

2.1 实验装置设计

并联管组流动特性实验装置如图3 所示。实验装置主要由储水箱、循环水泵、进口集箱、出口集箱、并联支管以及测量系统组成。储水箱设置了溢流槽，以保证实验期间水压的稳定。循环水泵处设有带调节阀的回流管，可根据需求调节不同流量工况。实验装置在进口集箱和出口集箱的两端和中间连接管各安装了三个截止阀（C1 ～ C6），通过阀门的开关可改变进口集箱和出口集箱上流体的引入、引出型式，如仅开C1、C6 就是Z 型分布，仅开C1、C3、C6 就是J 型分布，同理可以调节其他几类分布，典型布置形式如图4 所示。

图3 并联管组流量分配实验装置Fig.3 The experimental device for flow distribution of parallel pipes

图4 并联管典型布置形式Fig.4 The typical layout of parallel pipes

实验装置共有13 根蛇型并联支管，其中6 根并联支管上设有流量测点，用于测量各并联支管的流量；在进口集箱和出口集箱各支管处设有静压测点，用于测量进口集箱和出口集箱上的静压分布情况。

2.2 实验方法

实验装置可进行不同流量下进口集箱和出口集箱静压分布研究；也可进行不同引入、引出方式下进口集箱和出口集箱的静压分布和并联支管流量分配研究；此外还可以进行某支管堵塞情况下，进口集箱、出口集箱静压分布及其他并联支管流量分配等情况模拟。实验装置操作简便、运行稳定，具体实验步骤如下：选择所要进行的引入、引出模式；开启循环水泵，调节循环水泵处阀门，将流量调节至设计的实验工况；待流动稳定即可记录各进出口集箱静压值及并联支管流量。在实验过程中进出口集箱静压由测压排管测量，循环水流量由涡轮流量计测量，并联支管流量由文丘里流量计测量。

3 实验结果分析

应用搭建的实验装置，对六种典型布置的并联管系统进行实验研究，以获得不同布置方式集箱静压分布及并联支管流量分布情况。

3.1 不同布置方式分配与出口集箱静压分布

图5 给出了相同循环流量（380 L/h）下不同布置形式进口集箱和出口集箱的静压分布。从图中可以看出，不同布置方式，其进口集箱和出口集箱的静压分布各不相同。Z 型布置中进口集箱的静压从左至右逐渐升高，而出口集箱则呈现相反趋势；J 型布置进口集箱静压呈现中间高两头低，出口集箱静压从左至右逐渐升高；T 型布置进口集箱静压呈现中间高两头低，出口集箱则呈现相反趋势，即两头高中间低；U 型布置进口集箱和出口集箱静压均呈现从左至右逐渐升高趋势；I 型布置进口集箱和出口集箱静压均呈现出两头高中间低趋势；H 型布置进口集箱和出口集箱静压均呈现出两头低中间高的特点。集箱沿流动方向的静压变化主要由沿程阻力和支管分流、汇流局部阻力引起的动静压转化两部分构成。对于进口集箱，沿程阻力使静压沿流动方向逐步降低，而支管分流引起的动量交换使得静压增大。当沿程阻力占主导地位时，静压沿流动方向单调递减；当动量交换占主导地位时，集箱沿流动方向单调递增。本文所研究进口集箱，集箱长径比L/D≤1.52 / λ，即集箱为压力恢复型，集箱静压分布递增[21]。对于出口集箱，沿程阻力使静压沿流动方向逐步降低，而支管汇流引起的动量交换使得静压亦降低，为此，静压沿流动方逐渐递减。

图5 不同布置形式集箱静压分布Fig.5 The static pressure distribution of parallel pipes system

3.2 不同布置并联支管流量分布结果分析

根据式（5），各并联支管流量分布取决于其所对应的进口集箱和出口集箱的静压。因集箱沿程阻力及并联支管的不断分流、汇流使得进口集箱和出口集箱静压分布不均匀，最终导致各并联支管流量分布不均匀。

各支管流量偏差系数η为：

图6 给出了相同循环流量（380 L/h）下不同布置形式并联支管流量分配情况。从图6 可以看出不同布置形式的并联管组其流量分配差异很大。Z 型布置各支管流量从左至右逐渐增大； J 型与U 型各支管流量则从左至右逐渐递减；T 型与I 型各支管流量分配规律比较相似，均为中间高两端低；H 型布置各支管流量偏差较小，比较均匀。根据式（5）可知并联支管流量主要取决于其入口、出口静压，若进、出口集箱静压分布均匀，则其并联支管流量分配均匀。由图（5）可知不同布置形式的并联管组进口集箱静压分布比出口集箱均匀，对于本文研究的并联管不同布置方式其并联支管流量不均匀程度主要取决于出口集箱的静压，对比图（5）、（6）可知并联支管流量分布规律与出口集箱静压分布规律相反。对于Z 型布置，出口集箱静压从左到右逐渐降低，各并联支管进、出口压差从左到右逐渐增大，所以其流量从左至右逐渐增大；J 型与U 型出口集箱静压从左到右逐渐升高，其并联支管流量则从左至右逐渐递减；其余布置方式其流量分配规律亦与出口集箱静压分布相反。

图6 不同布置方式并联支管流量分布Fig.6 The flow distribution of typical parallel pipes system

图7 给出了相同循环流量（380 L/h）下不同布置形式各并联支管的流量不均匀程度。由图7 可知Z型布置和J 型布置各并联支管流量偏差较大，其中Z型布置的不均匀程度最大，μ为0.16，即该布置方式较其他布置流量分配最不均匀；J 型布置时μ为0.15；U 型布置时，μ为0.11；I 型布置时，μ为0.09；T 型布置时，μ为0.08；H 型布置的流量分配最均匀，μ为0.04。对于典型布置形式Z 型和U 型，U 型布置各支管的流量均匀性优于Z 型，这主要是由于U 型布置各支管进出口压差分布比Z 型布置更均匀。对于H 型布置，因其在进口集箱和出口集箱均设置引入引出，相同循环流量下其进口集箱和出口集箱中流量相对减小，即轴向速度降低，由动能转变的静压升高相对较低，使其进口集箱和出口集箱静压分布均匀，所以其并联支管流量分配最均匀。

图7 不同布置方式并联管组不均匀程度Fig.7 The unevenness of typical parallel pipes system

3.3 总循环流量对各支管流量偏差的影响

图8 给出了Z 型分布在三种不同循环流量下各并联支管流量分配情况。由图可知三种不同循环流量下Z 型布置各并联支管流量均为非均匀分布，且随着循环流量增加，其不均匀程度加剧。循环流量为250 L/h 时，不均匀系数μ为0.10；流量为300 L/ h 时，μ为0.13；流量为350 L/h 时，μ为0.14。这主要是由于集循环流量增加，进口集箱及出口集箱轴向速度增大，集箱流动阻力增大，尤其是在支管分流处，集箱轴向速度越大，分流处涡流越强，涡流越强支管流量分配越不均匀[15]。

图8 不同循环流量下Z 型布置并联支管流量分布Fig.8 The flow distribution of Z-type with different circulating flows

4 结束语

本文设计了并联管系统流动特性实验装置，在该实验装置上进行了6 种布置方式并联管系统的静压分布及并联支管流量分配情况研究，得出如下结 论：

（1）不同布置方式，其进口集箱和出口集箱的静压分布各不相同。不同布置形式集箱内流体随着支管的分流与汇流，其沿流动方向动压不断变化，进口分配集箱当动量交换占据主导地位时，静压沿流动方向单调递增；出口集箱静压沿流动方向单调递减。

（2）6 种典型布置并联管系统各支管流量分配规律主要取决于出口集箱的静压，其分布规律与出口集箱静压分布规律相反。

（3）同一循环流量下，Z 型布置的不均匀程度最大， 为0.16；H 型布置的流量分配最均匀， 为0.04。

（4）循环流量增加，Z 型布置各并联支管流量不均匀程度加剧。