多孔分配管与汇集管内单相流体的流动特性

　　多孔流量分配管和汇集管(亦称总管)在工业上有着广泛的用途,如锅炉锅筒内的给水分配管、加药管、均汽孔板、排污管及化工和机械等行业中的各种多孔给液、给气管等.多孔分配管、汇集管在结构上有等节距和变节距开孔两种基本方式,分别适应开孔总面积与总管流通面积之比较小和较大两种情况下沿总管长度流量均匀分配和均匀汇集的要求.工程上,根据模化试验给出了分配管和汇集管的试验设计原则,即当总管内的最大轴向流速u0小于或等于小孔最大流速wmax的1/2(即u0≤0.5wmax)时可采用等节距开孔,否则,应采用变节距开孔方式[1,2].但未能从理论上提供小孔的流速偏差(或流量偏差)与总管结构参数的确切函数关系,变节距分布的设计也尚需经多次反复迭代[1].由此也表明,关于多孔分配管和汇集管的设计方法尚不够成熟.鉴此,本文从建立多孔分配管和汇集管内流动物理模型出发,研究多孔分配管和汇集管内的流动特性,并由此推导出小孔间的流速偏差、轴向流量分配和汇集偏差式及实现流量均匀分配和均匀汇集的变节距分布的函数式,为工业上多孔分配管和汇集管的设计提供准确、快捷的理论计算方法.

　　1　流动物理模型的建立

　　1.1　初始给定条件

　　(1)给定总管的流通截面积为F,长度L≤2njD/λ(j=1,2,分别对应分配管和汇集管(以下同),λ为管内沿程摩擦阻力系数),单端轴向引入口处(对分配管)、或单端轴向引出口处(对汇集管)速度为u0(u0为代数量),静压为p0,管外大空间的静压为pb,如图1所示.

　　(2)总管上的轴向开孔排数为Mj,周向排数为mj,开孔总数为Mjmj.开孔沿轴向成顺列布置,各小孔孔径d0相同,单孔面积为f.

　　(3)开孔的轴向节距Sj(x)一般不等.

　　(4)总管内沿轴向流动的动静压转换系数为nj,对给定的分配管和汇集管其值为常数(对分配管,n1=0.8[3],对汇集管中的集汽管、排污管按锅炉汇集集箱,n2=2.0[3],均汽孔板n2=2.5[1]).

　　(5)整个流动过程中,流体保持单相、紊流,密度ρ不变.

　　1.2　简化假设

　　(1)忽略总管内沿程摩擦阻力的影响.研究表明,当L/D≤2nj/λ时,分配管和汇集管内沿程摩擦阻力对管内静压沿轴向变化的影响可忽略不计.工业上,相当多的分配管和汇集管其长径比就在此范围内,因此,其管内轴向流动能量方程中可忽略沿程摩擦阻力项.

　　(2)流动特性呈连续分布.总管内流体沿轴向各流动特性的实际变化,并不呈连续可微函数分布[4].但当Mj较大时,管内流动特性沿轴向呈连续分布的简化将相当接近管内实际流动特性的变化.

　　(3)在总管上建立如图1所示的坐标轴.沿坐标轴取有限距离间隔Δx,Δx可包含若干个节距,相对于分配管或汇集管的总长,Δx可近似为微元dx,此时,微元段内各小孔的平均流速可近似为x处小孔的流速wx.