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基于流动场协同原理的管道内流动分析与结构优化
| 论文题名： | 基于流动场协同原理的管道内流动分析与结构优化 |
| 关键词： | 管道结构;优化设计;湍流流动;场协同模型;最小机械能耗散原理;流动减阻 |
| 摘要： | 管内流体流动现象大量存在于工业与日常生活中，而管内结构设计不合理以及流体固有的粘性耗散特性等造成流体流动过程中的能量消耗和能源浪费。因此，管内流场优化设计的研究是解决能源短缺问题的一个重要课题。目前大部分对管道结构的优化设计都是基于工程经验，或用多组实验对比的方法，仍缺乏一定的理论指导。针对此问题，本文结合场协同原理和最小机械能耗散原理对管道内流体进行流动分析，从局部场协同程度的角度来揭示管道内流体阻力变化的机理，并在考虑整体结构情况下得到理论指导管道结构优化的思路与具体方法，进一步在实际工程案例中进行验证与应用。 第一部分对适用于流动领域的场协同原理进行数学理论推导。重点针对湍流流动的控制方程，通过对其在整个流域内的体积积分，得到新的湍流场协同原理。与层流场协同原理进行对比，发现湍流流动中的流阻不仅与流动场协同数FSm项相关，还与有效粘性系数μeff有关。又基于流动过程耗散的不可逆性，以最小机械能耗散原理为指导，考虑有效粘性系数μeff与坐标有关，重新推导出湍流流动场协同方程，为指导管道结构优化打下了理论基础。 第二部分在简单管道中验证利用湍流场协同原理来指导管道结构优化的可行性与有效性。以并联流动管道为例，对管道进行结构优化，初步得到利用场协同原理作为理论指导的具体实施方法：以场协同方程求解下的流线线型为最优目标，改变管道内部结构与之拟合以达到流动减阻效果；利用场协同角余弦值在各方向上的平方平均数分布图，寻找并定位最终需要优化的位置结构。 第三部分对复杂单管道的结构优化展开研究，以轴流式止回阀管道结构为例，对优化前后的阀管道流场做对比研究，进一步加深了对流动场协同物理意义的理解。发现优化前、后阀门的压降为5857.1Pa、1024.6Pa，优化后的阀门流阻和能耗大大降低。此外，还提出流体湍流粘性系数μt平均值可作为评价流动场协同程度的标准之一，发现减小流体湍流粘性系数平均值和增大局部湍流粘性系数梯度都能够有效地实现流动减阻。 第四部分以锅炉电厂一次风管道系统为例，将流动场协同原理应用于多管道系统中。从整体场协同程度的角度来考虑，确定需要改进的管道局部位置，并进行结构改进，对比优化前后的一次风管道系统进出口压降情况，发现50%、100%负荷工况下，除空预器外的管道部分，压降优化效果分别达到了10.937%、16.957%，减阻优化效果显著。 |
| 作者： | 吴施熠徽 |
| 专业： | 工程热物理 |
| 导师： | 樊建人;罗坤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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