CN101963172B - 一种矩形断面п型180°整流弯管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种П型180°弯管，包括入口段、П型180°变向段和出口段，入口段一端与П型П型180°变向段相连，П型180°变向段另一端连接有缓冲段，在缓冲段下方设有和出口段相连的整流段；所述的整流段内上端设有整流叶片，每个整流叶片上带有导流叶片将整流段内分为五个等流量的流体通道。本发明的П型180°整流弯管的独特设计消除了流体通过П型180°矩形弯管后所形成的速度分层，从而最终达到对通过П型180°矩形弯管后的流体进行整流的目的。

Description

一种矩形断面П型180°整流弯管

技术领域

本发明涉及一种通风空调系统中的局部构件，特别涉及一种矩形断面∏型180°整流弯管。

背景技术

矩形断面∏型180°弯管是暖通动力流体机械中极其常见的改变流体流向的连接管件，∏型180°弯管中，由于流体在内部经过两次的转弯，实现180°的变向，弯管中第一次变向的流速分布跟单个90°弯管的流速分布相同：第一次变向中，流体紊流中心向弯管内侧偏移，在弯管内侧近壁面处达到速度最大值；第一个弯管之后到第二个弯管之前的距离内，紊流中心在弯管外侧近壁面处；第二个弯管及其下游管段内流速分布跟第一个弯管趋势大致相同，但是第二个弯管内的管道内侧流体和外侧流体的动量发生了强烈交换，在右端近壁处出现压力增高而左端压力降低，在管道内部右侧出现了速度减小，管道内左侧流体的流速相应的增大，即在管内右侧出现了扩散效应，而在管道内左侧出现了收缩效应。

由于以上原因，流体在流过∏型180°弯管后，流体会由于扩散和收缩效应而产生强烈的动量交换并且产生速度分层，如图1所示，这会导致流体在图中所示右侧的流速大于左侧。这就意味着流体流速不均匀。在暖通空调领域，如果将这部分流体直接送入房间，将影响室内气流分布，使得室内实际舒适性不能满足设计要求，从而影响室内热舒适度。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩形断面∏型180°整流弯管，该新型∏型180°整流弯管的独特设计消除了流体通过∏型180°弯管后所形成的速度分层，从而最终达到对通过∏型180°弯管后的流体进行整流的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种矩形断面∏型180°弯管，包括入口段、∏型180°变向段和出口段，入口段一端与∏型∏型180°变向段相连，∏型180°变向段另一端连接有缓冲段，在缓冲段下游方设有和出口段相连的整流段；所述的整流段内上游端设有整流叶片，每个整流叶片上带有导流叶片将整流段内分为五个等流量的流体通道。

本发明的其他技术特点为：

缓冲段长度与入口段管道宽度相同。

所述的整流叶片沿整流段其纵向呈锐角三角形，且与来流方向有一定的倾角，使得整流段内形成五个入口大小不同的流体通道。

所述的导流叶片背向来流方向呈锐角三角形，并且与整流段纵向相互平行。

另外，一种设计上述矩形断面∏型180°弯管整流段内各整流叶片与整流段纵向方向之间形成的五个流体通道的入口大小确定方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、确定∏型180°弯管内的流体流场状态，根据入口段和∏型180°变向段管道尺寸和管道入口流体速度，运行雷诺应力模型并结合SIMPLE算法，然后模拟设置整流段之前传统∏型180°弯管内的速度场，从而得到整流段位置处流体的速度分布；

步骤二、确定∏型180°整流弯管各整流叶片与整流段纵向方向之间形成的五个流体通道的入口大小，根据步骤一求得的整流段位置处流体的速度分布，利用面积分原理，求得满足每个流体通道内流体流量相同条件时的五个流体通道入口大小。

由以上可见，本发明首先通过矩形断面∏型180°变向段变流体流动方向，使流体进入缓冲段内，流体在缓冲段内进行缓冲，形成具有相对稳定的流体特性后再通过整流叶片与整流段内壁以及整流片之间形成的五个大小不同的流体通道对流体进行等流量切割，并通过导流叶片与整流段之间形成五个等流量流体通道消除流体的横向速度。从而消除流体通过∏型180°整流弯管后所形成的速度分层，最终达到对通过∏型180°整流弯管后的流体进行整流的目的，如图2所示。

附图说明

图1为流体通过传统的∏型180°弯管时的流速等值线图。

图2为安装本发明的矩形断面∏型180°整流弯管后流体通过∏型180°弯管时的流速等值线图。

图3为本发明结构示意图。

图4为传统∏型180°弯管出口段横断面流体的速度分布积分图。

图5为发明实施例的∏型180°整流弯管管道出口段速度分布图。

图中各符号表示以下信息：1、入口段；2、∏型180°变向段；3、缓冲段；4、5、整流叶片；7、出口段；8、9整流叶片；10整流段。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

如图3所示，一种矩形断面∏型180°整流弯管，包括入口段1、∏型180°变向段2、和出口段7，入口段1一端与∏型180°变向段2一端相连，∏型180°变向段2另一端连接有缓冲段3，此处缓冲段3的设计用于确保整个90°整流矩形弯管内形成具有相对稳定的流体特性的流体。在缓冲段3下游方设有和出口段7相连的整流段10；所述的整流段10内上游端设有整流叶片(4、5、6、9)，每个整流叶片上带有导流叶片8将整流段10内分为五个等容积的流体通道。从而实现对整个∏型180°整流弯管管道内的流体进行等流量切割。

由于流体在经过变向后流动特性变得不稳定，为了使其能够形成具有相对稳定的流体特性，然后再通过整流叶片与整流段之间形成的五个大小不同的流体通道对流体进行等流量切割，本发明在整流段前设置长度与管道宽度相同的缓冲段。

为了避免切割流体引起的阻力增大的问题，且能更加有效的对流体进行切割，所述的整流叶片(4、5、6、9)沿整流段10其纵向呈锐角三角形，且与来流方向有一定的倾角，使得整流段10内形成五个入口大小不同的流体通道。这种类型导流叶片与流体碰撞时的接触面面积更小，有此所产生的碰撞阻力也小，由于碰撞产生流体涡旋的可能性也小。以此可以有效的减小切割流体所引起的阻力。

同样为了避免切割流体引起的阻力增大的问题，且能更加有效的对流经整流叶片的流体进行导流，所述的导流叶片8背向来流方向呈锐角三角形，并且与整流段10纵向相互平行，当流体通过∏型180°变向段2后所形成的与来流方向相垂直的速度分量会被导流叶片8所消除，从而消除了流体通过∏型180°变向段2后形成涡旋并增加阻力的可能。

当流体流过∏型180°整流弯管后由于前文所述的扩张和收缩作用，会在如图1所示位置形成右侧速度大，左侧速度小的速度分层。本发明通过雷诺应力模型并结合SIMPLE算法所得出的流过∏型180°整流弯管后流体流速分布及大小，确定整流叶片与整流段内壁之间的间距大小，使得流体流过整流叶片后的在每个通道的流体流量相同。由于整流叶片对流体进行了切割，流体会在被切割后形成涡旋。本发明中的整流片在横截面大小不变的情况下，对流体的横向速度进行抵消，从而消除其所形成的涡旋，使流体只具有纵向速度。从而在消除速度分层，达到整流目的。

因此本发明设计上述∏型180°整流弯管整流段10内各整流叶片(4、5、6、9)与整流段10纵向方向之间形成的五个流体通道的入口大小确定方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、确定∏型180°弯管内的流体流场状态，根据入口段1和∏型180°变向段2管道尺寸和管道入口流体速度，采用雷诺应力模型并结合SIMPLE算法：

首先、求解动量方程：

${\stackrel{\‾}{u}}_j\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{\∂x_j}=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂\stackrel{\‾}{p}}{\∂x_i}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{\mathrm{\ρ}}\frac{{\∂}^2{\stackrel{\‾}{u}}_i}{\∂x_j\∂x_j}-\frac{\∂}{\∂x_j}{R}_{\mathrm{ij}}$

然后求解压强修正的连续性方程：

$\frac{\∂{\stackrel{\‾}{u}}_i}{\∂x_i}=0$

ρ为流体密度；u_i，u_j为速度，i，j为张量下角标，i，j＝1，2，3；μ，μ_：为动力黏度，下角标t表示该物理量由湍流脉动引起；σ_k，σ_τ为常数；C_μ，C₁，C₂为经验系数，其取值如下表所示。

并且更新压强、便面质量流量并以此求解雷诺应力方程。并判断是否收敛，如果收敛则停止计算，如果不收敛则继续求解动量方程。RSM模型常数，如表1所示：

表1.模型常数

系数	Cμ	C1	C2	σk	σε
						数值	0.09	1.44	1.92	1.0	1.3

然后模拟设置整流段10之前∏型180°整流弯管内速度场，从而得到整流段(10)置处流体的速度分布。

步骤二、确定∏型180°整流弯管各整流叶片(4、5、6、9)与整流段10纵向方向之间形成的五个流体通道的入口大小，根据步骤一求得的整流段10位置处流体的速度分布值，如图4所示。求出整流段10的位置横剖面内各个点的速度大小，从左向右对流速及流体与整流段内壁的距离进行积分，当流量满足总流量的1/5时停止积分，所求得的距离即为整流叶片与整流段10内壁的设置距离以及各整流叶片之间的设置间距。这样就满足这五个流体通道内流体流量都是相通的皆为总流量的1/5。利用面积分原理，从而完成满足每个流体通道内流体流量相同条件时的五个流体通道入口的大小的设置。

具体实施例：

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

遵循上述技术方案，以中央空调风管连接用∏型180°弯管的优化过程为例，首先确认∏型180°弯管管道各部分的尺寸，其中入口段尺寸300mm×300mm，出口段尺寸为300mm×300mm，弯度为1.5整流段长度为300mm，整流段中的整流叶片长度为100mm，导流叶片长度300mm。然后列出动量方程和连续性方程的离散格式，使用simple方法进行求解，可以得出从未添加整流段时整流段10所在位置处流体的速度分布值。确定整流段入口处大小，如图4所示，根据积分原理，图4中的曲线所包围的面积及为流量大小，以入口处风速为7m/s为例，总的入口提及流量为7m/s×300mm×300mm＝0.63m³/s。本发明一共为五个流道，则每个流道内应流过的流体体积为0.126m³/s。因此，只要从图4中的左端向右端依次沿着管道宽度进行积分，当积分值达到0.126m3/s时积分停止即可。通过计算当宽度从左向右依次分别达到80mm、40mm、50mm、60mm、70mm时，其各流道中的体积流量积分值皆为0.126m³/s(此时，五个流道中的平均流速依次为5.25m/s、10.5m/s、8.4m/s、7m/s、6m/s)。这样就能够确定出五个流体通道入口处的大小分别为80mm×300mm、40mm×300mm、50mm×300mm、60mm×300mm、70mm×300mm。通过这种流体切割，五个流体通道内的流体流量相等，所以流体通道出口大小也是相等的，其流体通道出口尺寸从左向右依次为60mm×300mm、60mm×300mm、60mm×300mm、60mm×300mm、60mm×300mm(此时，五个流道中的平均流速均为7m/s)。

在概率论和数理统计中，方差(英文Variance)用来度量随机变量和其数学期望(即均值)之间的偏离程度。在许多实际问题中，研究随机变量和均值之间的偏离程度有着很重要的意义。

$S^2=\frac{1}{n}[{(x_1-\stackrel{\‾}{x})}^2+{(x_2-\stackrel{\‾}{x})}^2+...+{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2]$

因此，为了分析本发明与传统∏型180°弯管出口处速度分布的不同，这里引进方差的概念对其进行流速稳定性分析。

本发明与传统∏型180°弯管的速度方差进行对比，传统∏型180°弯管出口处管道横断面速度方差为1.606209，本发明出口处管道很断面速度方差为0.691118。其速度稳定程度提高了57.0％。

与此同时，通过整理本发明与传统∏型180°弯管横截面速度分布值，如图5所示。本发明出口处的速度分布明显比传统弯管更加均匀，这样既避免了管内流体因流速分布不均而引起的振动噪音又可使进入空调房间的气流稳定，提高居住空间的舒适度。

Claims (5)

1.一种矩形断面П型180°整流弯管，包括入口段（1）、П型180°变向段（2）和出口段（7），其特征在于：入口段（1）一端与П型180°变向段（2）一端相连，П型180°变向段（2）另一端连接缓冲段（3），在缓冲段（3）下游方设有和出口段（7）相连的整流段（10）；所述的整流段（10）内上游端设有整流叶片（4、5、6、9），每个整流叶片上带有导流叶片（8）将整流段（10）内分为五个等流量的流体通道。

2.根据权利要求1所述的矩形断面П型180°整流弯管，其特征在于：所述的缓冲段（3）长度与入口段（1）管道宽度相同。

3.根据权利要求1所述的矩形断面П型180°整流弯管，其特征在于：所述的整流叶片（4、5、6、9）沿整流段（10）其纵向呈锐角三角形，且与来流方向有一定的倾角，使得整流段（10）内形成五个入口大小不同的流体通道。

4.根据权利要求1所述的矩形断面П型180°整流弯管，其特征在于：所述的导流叶片（8）背向来流方向呈锐角三角形，并且与整流段（10）纵向相互平行。

5.一种设计权利要求1所述的矩形断面П型180°整流弯管整流段（10）内各整流叶片（4、5、6、9）与整流段（10）纵向之间形成的五个流体通道的入口大小确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、确定矩形断面П型180°弯管内的流体流场状态，根据入口段（1）和П型180°变向段（2）管道尺寸和管道入口流体速度，采用雷诺应力模型并结合SIMPLE算法，然后模拟设置整流段（10）之前矩形断面П型180°弯管内速度场，从而得到整流段（10）位置处流体的速度分布值；

步骤二、确定矩形断面П型180°整流弯管各整流叶片（4、5、6、9）与整流段（10）纵向之间形成的五个流体通道的入口大小，根据步骤一求得的整流段（10）位置处流体的速度分布值，利用面积分原理，求得满足每个流体通道内流体流量相同条件时的五个流体通道入口大小。

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