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中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：133427 Z型并联管道流量分配的数值研究 何嘉1，王良璧2 (兰州交通大学机电工程学院 铁道车辆热工教育部重点实验室 甘肃 兰州 730070) （Tel：0931-4956556，Email：Re数、模型几何参数的作用，分别提出了获得较好流量分配均匀性的方法。文献[4~6]用不同的方法对流体在太阳能系统中的流动特性进行了研究，文献[4]通过求解代数方程组对充分发展层流条件下的流量分配和压降进行了研究，并考虑了流体等温与不等温的情况。文献[5]采用离散的流体动力学计算模型对影响流量分配的多种因素进行了对比。文献[6]通过实验的方法研究了层流条件下太阳能系统中的流量分配问题。文献[7]通过采用离散模型求解集管内的压力分布对平行流换热器系统中的流量分配进行预测，用实验结果进行验证。文献[8]采用实验和数值模拟方法考察了影响矩形集管平行流换热器流量分配的因素。文献[9]在质量和动量守恒的理论基础上了发展了解决Z型结构的燃料电池流动分配和压降的方法，对描述流动性能，系统几何结构以及流动条件的5个特征参数对流量分配和压降产生的影响进行了研究。文献[10]采用非线性最小二乘法(LMM)与CFD-ACE+软件程序对三维Z型并联管道如何获得流量分配均匀性的问题进行了研究。并联管道的流量分配问题在数学描述和求解方面均比较繁琐复杂，其微分方程是二阶非线性的，一般很难求得其精确解，实验研究通常需要耗费大量的人力和财力。因此为正确认识Z型并联管道中流体的流动特性及分配机理，找到准确性高，省时省力的研究方法对工程实践具有一定的指导意义。文采用三维流体通道数值模型对层流条件下Z型并联管道中的流量分配进行数值计算，得到流体的速度和压力分布，阐明流量分配特性。数值方法可更加全面的了解管道内每个位置的速度和压力分布情况。该数值计算方法可直接用于求解三维 资助项目：国家自然科学基金（No. Z型并联管道内的流动和压力分布。主要讨论了不同Re数（指来流集管流体Re数，以下不再单独说明）对Z型并联管道流动特性的影响。 1 研究模型及数学公式 1.1 问题几何结构 本文的研究物理模型源于机车冷却系统，通过对实际系统的简化建立如图1(a)所示的物理模型。该模型中有10个支管，支管均为等长、等径的直圆管。其几何尺寸如图1(a)所示。流体从来流主管进入，并行流经各支管后进入出流主管。在计算中，把整个图1(a)所示的区域分成12个计算区域，所生成的网格如图1(b)所示。 图1 物理模型与网格划分：(a)物理模型几何尺寸；(b)网格划分 1.2 控制方程及边界条件 为便于数值分析，作以下假设：(1)流体物性为常数；(2)流动是定常的，处于层流状态；(3)流体为黏性不可压缩流体；(4)不考虑作用在流体上的体积力。根据以上假设，计算区域的流体流动控制方程为： 连续性方程 (1) 运动方程 , (j=1, 2, 3) (2) 式中，ρ为流体的密度，μ为动力黏度。 通道壁面上的边界条件 , , (3) 来流集管进口边界条件 , , (4) 出流集管出口边界条件为局部单向化条件 , , (5) 各支管与集管连接处流动边界条件 1）通过插值法计算来流集管每个出口的边界速度，将此速度作为对应每个支管的进口边界条件； ，，，(i=1)，(j=1, 2, … ,10) (6) 式中，i表示来流集管； j表示各并联支管。 2）通过插值法计算出流集管每个进口的边界速度，将此速度作为对应每个支管的出口边界条件； ，，，(i=2)，(j=1, 2, … ,10) (7) 式中，i表示出流集管； j表示各并联支管。 3）各支管进出口流量修正； 因适体坐标下的网格单元各边长均为单元长度，其网格单元在各速度方向上的面积为1，即q=vA=v。所以在适体坐标下，对流量的修正可认为是对速度的修正。 ，，，(i=1)，(j=1, 2, … ,10) (8) ，，，(i=2)，(j=1, 2, … ,10) (9) 式中，α=uin/uout，uin为来流集管进口速度，uout为出流集管出口速度；βj= ujin/ujout，ujin为支管进口速度；ujou