CN104662235A - 配置涡旋流控制装置的方法和涡旋流控制装置 - Google Patents

配置涡旋流控制装置的方法和涡旋流控制装置 Download PDF

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Abstract

一种配置涡旋流控制装置2的方法，该涡旋流控制装置包括涡旋室4、入口6和出口8，该出口被布置在涡旋室4的一端，其中，该方法包括步骤：针对入口８处的预定压力PT-MAX设置通过出口的目标最大流量FT-MAX；设置通过出口8的目标涡旋起始流量FT-VI，涡旋室内的涡旋流起始于该出口处；针对入口６处的预定压力PT-MAX确定通过出口８的实际最大流量FA-MAX；确定通过出口８的实际涡旋起始流量FA-VI；基于实际最大流量FA-MAX和实际涡旋起始流量FA-VI中至少一个以及目标最大流量FT-MAX和目标涡旋起始流量FT-VI中至少一个来确定误差参数Ｅ；比较误差参数Ｅ与目标条件CT；和，如果误差参数Ｅ未能满足目标条件CT，则修改涡旋流控制装置２的至少一个特征以便改变实际最大流量FA-MAX和实际涡旋起始流量FA-VI中至少一个，使得所修改的涡流控制配置产生更接近地满足目标条件CT的液压响应。

Description

配置涡旋流控制装置的方法和涡旋流控制装置
技术领域
本发明涉及一种配置涡旋流控制装置的方法和一种涡旋流控制装置。
背景技术
涡旋流控制装置（诸如涡旋阀）用来控制通过暴雨排水系统的流量。例如，涡旋阀经常用来调节从上部集水区域至下部集水区域的流量。该阀有助于平衡集水区域之间溢流的风险。
与传统的流量调节器相比，因为涡旋阀无移动部分，所以它们特别有利。此外，流量调节受由在阀内生成的涡旋产生的节流效应影响。因此，涡旋阀可以提供流量限制，该流量限制与非常小的孔相当，同时不易被流量所夹带的碎屑堵塞。
涡旋阀的缺点在于阀的性能难以预测。此外，阀的性能取决于阀的几何的相关方面。因此，难以在预计范围的操作条件下配置涡旋阀来产生所需的性能特征。通常，具有已知特征的阀的几何被缩放以满足特定操作条件。这种阀在所有操作条件下未提供最佳性能特征。
因此，需要一种改进的配置涡旋流控制装置（诸如涡旋阀）以提供改进的性能特征的方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种配置涡旋流控制装置的方法，该涡旋流控制装置包括：涡旋室、入口和出口，该出口被布置在涡旋室的一端，其中，该方法包括步骤：
针对入口处的预定压力，设置通过出口的目标最大流量；
设置通过出口的目标涡旋起始流量，涡旋室内的涡旋流起始于该出口处；
针对入口处的预定压力，确定通过出口的实际最大流量；
确定通过出口的实际涡旋起始流量；
基于实际最大流量和实际涡旋起始流量中至少一个以及目标最大流量和目标涡旋起始流量中至少一个来确定误差参数；
比较误差参数与目标条件；和
如果误差参数未能满足目标条件，则修改涡旋流控制装置的至少一个特征，以便改变实际最大流量和实际涡旋起始流量中至少一个。
配置涡旋流控制装置的方法，该方法产生涡旋流控制装置，该涡旋流控制装置具有更接近地满足目标条件的液压响应。
误差参数可以（例如）基于实际最大流量和目标最大流量来确定。可替换地或另外地，误差参数可以基于实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量来确定。涡旋流控制装置的所述特征或每一个特征均可以被修改，以便改变误差参数，使得误差参数预计满足或更接近地满足目标条件。
误差参数可以是实际最大流量和目标最大流量之间的差、或者实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量之间的差的特征。
误差参数可以被确定为实际最大流量和目标最大流量之间的差、和实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量之间的差的特征。
误差参数可以为复合误差，该复合误差包括实际最大流量和目标最大流量之间的差的量级（magnitude）（例如绝对值或平方）和实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量之间的差的量级（例如绝对值或平方）之和。
所述特征或每一个特征均可以通过对应于误差参数的预定量来修改。例如，如果误差参数被确定为一个值，则所述特征或每一个特征均可以由与误差参数成比例的量来修改。
所修改的特征的变化的量级可以对应于误差参数相对于前一误差参数的相关（correlation）（例如比率）。
涡旋流控制装置的所述特征或每一个特征均可以是涡旋流控制装置的几何特征，例如对应于入口的入口面积、出口的出口面积、或涡旋室的直径的几何特征。
涡旋流控制装置的所述特征或每一个特征均可以为入口的面积相对于出口的面积的各自比率；涡旋室直径相对于出口的直径的比率、或出口的直径。
修改涡旋流控制装置的至少一个特征的步骤可以包括步骤：
确定各自的灵敏度参数，该灵敏度参数与所述特征或每一个特征的变化对实际最大流量和/或实际涡旋起始流量的影响相关；和
依据灵敏度参数修改所述特征或每一个特征。
将领会的是，可以依据一个或多个灵敏度参数，修改一个、一些或所有特征。
灵敏度参数可以被定义为由所述特征或每一个特征的预定的变化所导致的误差参数的变化。
从针对入口处的预定压力确定通过出口的实际最大流量的步骤开始，直至如果误差超过目标误差，则修改涡旋流控制装置的至少一个特征的步骤，重复上述步骤，以使得误差参数可以被驱动以满足目标条件。
误差参数可以被驱动，以满足目标条件，使得实际最大流量和实际涡旋起始流量中至少一个被驱动朝向各自的目标最大流量或目标涡旋起始流量。
其中，该方法是一种设计方法，配置涡旋流控制装置的步骤为在制造装置之前执行的设计步骤。可以使用计算机执行这种方法。
根据本发明的第二方面，提供了一种计算机，该计算机被配置成执行该设计方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种涡旋流控制装置，该涡旋流控制装置包括具有室直径的涡旋室、具有入口面积的入口、具有出口面积的出口，其中，出口被布置在涡旋室的一端，并且涡旋室、入口面积和出口面积被配置使得在使用中，通过出口的涡旋起始流量等于或大体上等于以预定压力通过出口的最大流量。
附图说明
现在，为了更好地理解本发明以及更清楚地示出如何可以实现它，将通过示例的方式参阅附图，其中：
图1示出了涡旋流控制装置；
图2示出了当使用涡旋室内的涡旋操作时图1中所示的涡旋流控制装置；
图3是描绘涡旋流控制装置的性能特征的曲线图；
图4是描绘涡旋流控制装置的性能特征与目标条件的曲线图；
图5是描绘已经被配置成满足目标条件的涡旋流控制装置的性能特征的曲线图；和
图6是描绘配置涡旋流控制装置的过程的流程图。
具体实施方式
图1示出了涡旋流控制装置2，该涡旋流控制装置2包括涡旋室4、入口6和出口8。涡旋流控制装置2被连接到出口管9，该出口管水平延伸远离出口8。涡旋流控制装置2可以包括部分排水系统，例如用于停车场、工业或商业建筑群、或者长时间降雨或强降雨预计会为其形成大量水流通过排水系统的类似物的暴雨排水系统。
涡旋室4由第一和第二相对的端壁10、12和外壁14定义。每个端壁10、12都具有第一外围边缘16、18，该第一外围边缘绕室轴线20螺旋形延伸；和第二外围边缘22、24，该第二外围边缘在第一外围边缘16、18的相对端之间延伸。每个第二外围边缘22、24大体上是直的。外壁14被接合到第一端壁10的第一外围边缘16和第二端壁12的第一外围边缘18。外壁14沿着第一外围边缘16、18的整个长度延伸。
外壁14在一端具有第一边缘26和在另一端具有第二边缘28。第一边缘26被径向安排在第二边缘28外侧，这样外壁14以半径从第一边缘26至第二边缘28递减的螺旋形延伸。将领会的是，在替代实施例中，第一外围边缘16、18和外壁14无需被布置成螺旋形。例如，第一外围边缘16、18可以是圆形的。
入口6由外壁14的第一边缘26和第二边缘28以及端壁10、12的各自的第二外围边缘22、24定义。第一边缘26和第二边缘28的长度相同。端壁10、12的第二外围边缘22、24的长度相同。第二外围边缘22、24比第一和第二边缘26、28长，使得入口6为矩形。在替代实施例中，入口6可以是不同的适当形状，例如第二外围边缘22、24可以短于第一和第二边缘26、28。可替换地，入口6可以为方形或圆形。入口6具有截面面积（入口面积AIN），其在所示实施例中等于端壁10、12的第二外围边缘22、24的长度和外壁14的第一或第二边缘26、28的长度的乘积。
出口8包括在第一端壁10中提供的圆形孔。出口8的中心与室轴线20对准。出口8具有出口直径DOUT。出口8具有截面面积（出口面积AOUT），其为孔的截面面积（即AOUT=π×D2 OUT/4）。出口8被提供为与出口管9流体连通。
涡旋室4具有标称室直径DVC，该标称室直径DVC被定义为外壁14的直径上相对的部分之间的距离。例如，标称室直径DVC可以被定义为第一边缘26和与与第一边缘26直径上相对的外壁14的部分之间的距离。可替换地，标称室直径DVC可以被定义为第二边缘28和与第二边缘28直径上相对的外壁14的部分之间的距离。标称室直径DVC还可以被定义为室4的其它段两端的直径或被定义为通过预定的角度段（例如90°、180°或360°延伸的段）的涡旋室的均匀直径（mean diameter）4。标称室直径DVC可以被定义为蜗壳的原则尺寸（principle dimension）的有效直径。
在实施例中，其中涡旋室8并非圆柱形，例如涡旋室为截头圆锥形，室的平均直径（例如均匀直径）可以被定义为标称室直径DVC。
将领会的是，入口面积AIN、出口面积AOUT和标称室直径DVC的其它适当定义均可以使用。入口面积AIN和标称室直径DVC均可以相对于出口面积AOUT或出口直径DOUT被定义。
在所示的实施例中，涡旋流控制装置2在出口8下方安装有入口6。
在使用中，水通过入口6流入涡旋室4。水在与室轴线20相切的方向上进入涡旋室4，并积聚在涡旋室4内。当涡旋室4内的水位到达出口8时，水通过出口8沿着出口管9排出。
涡旋流控制装置2的性能特征如图3中所示。性能特征被描述为入口6处的压力P和通过出口8的流量F的曲线，该入口处的压力可以被定义为压头（pressure head）（单位为米（m）、或其它的适当测量），该通过出口的流量F可以被定义为体积流量（单位为升每秒（l/s）、或其它的适当测量）。
在正常流量条件下，通过出口8的流量F是这样的：涡旋室4内的水位保持低于出口8的顶部，如图1所示并且如图3的点A和点B之间所显示。
当入口6处的压力P增加时，流入涡旋室4的水的体积增加。这在一段长时间降雨或强降雨之后预计出现。入口6处的流量的增加使连贯的涡旋运动在涡旋室4内起始。涡旋运动在流量内引入惯性和湍流损失，该损失会节流流过涡旋流控制装置2的流量。在室4内涡旋起始时的流量为由图3的点B所显示的涡旋起始流量FVI。旋涡起始流量取决于入口面积AIN、出口面积AOUT和标称室直径DVC的尺寸。
旋涡的强度取决于入口6处的压力P。当入口6处的压力增加时，涡旋的强度增加。所以，涡旋的节流效果更为显著，这进一步减少通过出口8的流量。这种现象如图3中的B点和C点之间所显示。
一旦入口6处的水位达到涡旋室4溢流的水平，进入室4内的切向水流在室4内生成稳定的涡旋流态，如图2所示。涡旋的完全形成由图3中的点C所显示。这种情况出现时的压力为逆向压力PREV。这如图3中C点所示。当入口6处的压力增加高于逆向压力PREV时，通过出口8的流量F增加。这在图3中的点C和D之间显示。空气或水芯预计形成在涡旋的中心，该涡旋的中心与室轴线20重合。空气或水芯起流量限制的作用，该流量限制进一步限制通过出口8的流量。
点D为针对预定压力PMAX通过出口8的最大流量FMAX。通常，排水系统的要求表达了最大流量FMAX可以是多少。
性能特征，特别是涡旋起始流量FVI、逆向压力PREV和最大流量FMAX，取决于入口面积AIN、出口面积AOUT和室直径DVC的尺寸。
现在，参照图4至图6对一种配置涡旋流控制装置2（诸如图1中所示的涡旋流控制装置2）的方法进行描述。将领会的是，在制造涡旋流控制装置2之前，可以通过使用计算机或其它计算或模拟器具模拟涡旋流控制装置2的性能来执行该方法。
首先，依据由排水系统或其他所需的操作要求所施加的约束来针对入口6处的预定压力PT-MAX确定通过出口8的目标最大流量FT-MAX。例如，目标最大流量FT-MAX可以为流量F，该流量确保（由包括涡旋流控制装置2的排水系统连接的）上部和下部集水区域之间的流量被限制到将平衡上部和下部集水区域之间的溢流风险的量。
涡旋流控制装置2被选择或配置成具有标准几何。涡旋流控制装置2可以依据具体要求进行选择。例如，可以选择具有特定直径出口8的涡旋流控制装置2，使其与其并入的排水系统的管径相匹配。可替换地，具有特定直径涡旋室4的涡旋流控制装置2可以依据涡旋流控制装置2的要求进行选择，以占用特定空间。
涡旋流控制装置2的特定几何，特别是入口面积AIN、出口面积AOUT和室直径DVC的尺寸，可以基于先前经验进行确定。例如，可以选择周知于提供与目标最大流量FT-MAX类似但不必相同的最大流量FMAX的“最佳猜测”涡旋流控制装置2。
其次，确定目标旋涡起始流量FT-VI、或齐平流量。在该实施例中，目标旋涡起始流量FT-VI被设置为等于目标最大流量FT-MAX。等于最大流量FMAX的涡旋起始流量FVI的优点是，涡旋流控制装置2可以被配置提供入口6处的预计操作压力范围P（即就涡旋流装置2的上游水位的范围）的主要部分内的流量，该流量接近恒定流量。在范围广泛的条件下提供接近恒定流量的流量，确保有效使用上部集水区域的储存容量和下部集水区域的流量容量，以便减少整体溢流风险。
然后，确定涡旋流控制装置2的性能特征（例如液压特征）。特别地，确定用于涡旋流控制装置2的实际最大流量FA-MAX与实际涡旋起始流量FA-VI。可以由试验、计算或模拟确定性能特征。例如，计算流体动力学可以用来评估涡旋流控制装置2的性能。
然后，计算目标最大流量FT-MAX和实际最大流量FA-MAX之间的差dFMAX。也计算目标涡旋起始流量FT-VI和实际涡旋起始流量FA-VI之间的差dFVI。
然后，求和各自的差dFMAX、dFVI的量级，以产生误差参数E。误差参数E可以是差dFMAX、dFVI的平方之和或差dFMAX、dFVI的绝对值之和。例如，如果实际最大流量FA-MAX为20 l/s并且目标最大流量FT-MAX为25 l/s，则dFMAX将为5 l/s。如果实际涡旋起始流量FA-VI为15 l/s并且目标涡旋起始流量FT-VI为25 l/s，则dFVI将为10 l/s。误差参数E（按差的平方之和计算）将为52+102=125。
然后，比较误差参数E与目标条件CT，该目标条件CT在本实施例中为预定的最大误差参数EMAX。使用量级（例如差而非实际差（其可以为负）的平方）确保大于目标最大流量FT-MAX的实际最大流量FA-MAX不能补偿小于目标涡旋起始流量FT-VI的实际涡旋起始流量FA-VI。此外，将差组合成单个误差确保误差E为组合条件的最佳拟合函数，其提高了计算和后续迭代过程的效率。
如果误差参数E超过最大误差参数EMAX，则误差参数未能满足目标条件CT。
如果误差参数E未能满足目标条件CT，则计算用于涡旋流控制装置2的几何特征（包括入口面积AIN、出口面积AOUT和室直径DVC）中每一个的误差函数梯度。
例如，入口面积AIN的尺寸可以增加百分之一。然后，计算入口面积AIN的尺寸的变化对误差参数E的影响。入口面积AIN的尺寸也可以被减少百分之一。然后，计算入口面积AIN的尺寸的变化对误差参数E的影响。特别地，确定入口面积的尺寸的增加/减少预计是否增加或减少误差参数E。
关于出口面积AOUT和室直径DVC进行类似的计算，以便获得用于这些特征中每一个的误差函数梯度。这提供了近似于涡旋流控制配置参数的误差函数的灵敏度。
涡旋流控制装置2的包括入口面积AIN、出口面积AOUT和室直径DVC的特征中至少一个可以由预计减少误差参数E的预定的量进行改变。例如，如果入口面积AIN的尺寸的增加预计减少误差参数，则入口面积AIN的尺寸增加。变化的量级可以是预定的标准量，或者也可以按误差参数E的函数或误差参数E的变化计算。例如，广义基于梯度的优化途径可以用来评估配置参数中要求的变化的量级以使误差参数E最小化为满意值。可以用于此目的的优化途径的示例为：梯度下降，截断牛顿或广义约化梯度方法。
除了使用经典的基于梯度的优化方法，演进优化方法也可以单独使用、或者与基于梯度的优化方法相结合使用，以最小化误差参数或提供适当的初始“最佳猜测”配置。
然后，确定具有新几何的涡旋流控制装置2的性能特征，并反复重复确定误差参数E，比较误差参数与目标条件CT，确定用于涡旋流控制装置2的特征中每一个的误差函数梯度并且由此改变特征的步骤，直至误差参数E满足目标条件CT。一旦误差参数E满足目标条件CT，就确定涡旋流控制装置2的性能特征匹配所需的性能特征达到满意的精度。
其中误差参数E满足目标条件CT（具体地，误差参数E没有超过EMAX）的涡旋流控制装置2的性能特征的示例如图5所示。在特定示例中，目标条件CT为：实际最大流量FA-MAX和实际涡旋起始流量FA-VI大体上等于目标最大流量FT-MAX（即E≈0）。
尽管上述实施例具体说明了等于目标最大流量FT-MAX的目标涡旋起始流量FT-VI，但是将领会的是，目标涡旋起始流量FT-VI可以被独立于目标最大流量FT-MAX而设置。例如，可能需要配置涡旋流控制装置2，使得涡旋起始流量FVI大于或小于目标最大流量FT-MAX。

Claims (19)

1.一种配置涡旋流控制装置的方法，该涡旋流控制装置包括涡旋室、入口和出口，该出口被布置在涡旋室的一端，其中，该方法包括步骤：
针对入口处的预定压力，设置通过出口的目标最大流量；
设置通过出口的目标涡旋起始流量，涡旋室内的涡旋流起始于该出口处；
针对入口处的预定压力，确定通过出口的实际最大流量；
确定通过出口的实际涡旋起始流量；
基于实际最大流量和实际涡旋起始流量中至少一个以及目标最大流量和目标涡旋起始流量中至少一个来确定误差参数；
比较误差参数与目标条件；和
如果误差参数未能满足目标条件，则修改涡旋流控制装置的至少一个特征，以便改变实际最大流量和实际涡旋起始流量中至少一个。
2.如权利要求1所述的方法，其中，误差参数为实际最大流量和目标最大流量之间的差、或者实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量之间的差的特征。
3.如权利要求2所述的方法，其中，误差参数被确定为实际最大流量和目标最大流量之间的差、和实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量之间的差的特征。
4.如权利要求3所述的方法，其中，误差参数为复合误差，该复合误差包括实际最大流量和目标最大流量之间的差的量级和实际涡旋起始流量和目标涡旋起始流量之间的差的量级之和。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述特征或每一个特征均通过对应于误差参数的预定量来修改。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所修改的特征的变化的量级对应于误差参数相对于前一误差参数的相关。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，涡旋流控制装置的所述特征或每一个特征均是涡旋流控制装置的几何特征。
8.如权利要求7所述的方法，其中，几何特征为入口的入口面积、出口的出口面积、或涡旋室的直径。
9.如权利要求8所述的方法，其中，涡旋流控制装置的所述特征或每一个特征均能够分别定义为入口的面积相对于出口的面积的比率；涡旋室直径相对于出口的直径的比率、或出口的直径。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，修改涡旋流控制装置的至少一个特征的步骤包括步骤：
确定各自的灵敏度参数，该灵敏度参数与所述特征或每一个特征的变化对实际最大流量和/或实际涡旋起始流量的影响相关；和
依据灵敏度参数修改所述特征或每一个特征。
11.如权利要求10所述的方法，其中，灵敏度参数被定义为由所述特征或每一个特征的预定的变化所导致的误差参数的变化。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从针对入口处的预定压力确定通过出口的实际最大流量的步骤开始，直至如果误差超过目标误差，则修改涡旋流控制装置的至少一个特征的步骤，重复上述步骤，以使得误差参数被驱动以满足目标条件。
13.如权利要求12所述的方法，其中，误差参数被驱动，以满足目标条件，以使得实际最大流量和实际涡旋起始流量中至少一个被驱动朝向各自的目标最大流量或目标涡旋起始流量。
14.一种设计如前述权利要求中任一项所述的涡旋流控制装置的方法，其中，配置涡旋流控制装置的步骤为在制造该装置之前执行的设计步骤。
15.一种如权利要求14所述的方法，其中，使用计算机执行该方法。
16.一种计算机，该计算机被配置成执行如权利要求14或15所述的方法。
17.一种涡旋流控制装置，该涡旋流控制装置包括具有室直径的涡旋室、具有入口面积的入口、具有出口面积的出口，其中，出口被布置在涡旋室的一端，并且涡旋室、入口面积和出口面积被配置成以使得在使用中，通过出口的涡旋起始流量等于以预定压力通过出口的最大流量。
18.如权利要求17所述的并且参照附图大体上如本文所描述的涡旋流控制装置。
19.如权利要求1所述的并且大体上如本文所描述的方法。
CN201380041172.7A 2012-08-02 2013-07-25 配置涡旋流控制装置的方法和涡旋流控制装置 Active CN104662235B (zh)

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