CN105546798A - 防沉积型通风气力输送管道燕尾三通及防积尘处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防沉积型通风气力输送管道燕尾三通及防积尘处理方法，燕尾三通包括入口、内弧面a、下底板a、出口、外弧面a、上顶板a、上顶板b、外弧面b、法兰、下底板b和内弧面b；下底板a、下底板b、外弧面a和外弧面b都被划分为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区组成；所述高尘粒浓度区和中尘粒浓度区分别使用不同粗糙高度的防积尘材料。本发明在不同积尘浓度的部位采用不同粗糙高度洁净材料，可有效的减少悬浮颗粒物在燕尾三通处的沉积，同时节省耐磨材料使用量，降低燕尾三通的造价。

Description

防沉积型通风气力输送管道燕尾三通及防积尘处理方法

技术领域

本发明属于工业通风领域，具体涉及一种燕尾三通及防积尘处理方法，特别是一种工业通风防沉积型通风气力输送管道燕尾三通及防积尘处理方法。

背景技术

燕尾三通是工业通风输配系统中不可缺少的组成部分。送风系统中室外空气经空调机组处理时，由于大多数粗精效过滤网仅能过滤3um以上的悬浮颗粒物，其微细颗粒物则随风直接进入风管，而风管内表面实际粗糙高度远远高于微细颗粒物的大小，因此，这些微细的颗粒物随着空气与风管内壁相互碰撞摩擦产生静电吸附越积越多，从而导致风管内壁的粗糙高度越来越大，灰尘粘附加速进行，如此长年累月形成较厚积尘。而排风系统所有悬浮颗粒物均随气流进入管道中，积尘更加严重。在燕尾三通等局部阻力构件处，空气以及悬浮颗粒物与周围管壁的碰撞更加剧烈，是输配系统中最容易积尘磨损的部位。

现在常用的风管弯头并无任何防粉尘沉积的措施。风道积尘带来的危害有两种：1、滋生细菌，传染疾病：由于风道通风道内的灰尘会逐渐沉积滋生病菌，逐渐变成室内空气的污染源；2、风阻加大、损耗能源：空气在风道内流动，由于粘性及流体的相对运动，因而产生了内摩擦力，空气在风道内流动过程中，就要克服这种阻力而消耗能量。

为了防止悬浮颗粒物在管道弯头等易积尘处的沉积，最简单的思路是用粗糙高度尽可能低的洁净管材制作风管燕尾三通。但是并不是风管燕尾三通所有部位都易积尘，也就是说有些不易积尘的面或是面的某些部位不积尘，采用此种统一改变风管材料换成洁净管材的方法必然会造成在不易积尘的部分耗费多余的材料，造成整个风管燕尾三通造价的提高。

发明内容

针对现有燕尾三通的缺陷，本发明的目的在于，提供一种防沉积型通风气力输送管道燕尾三通及防积尘处理方法。这种燕尾三通在不同积尘浓度的部位采用不同粗糙高度洁净材料，可有效的减少悬浮颗粒物在燕尾三通处的沉积，同时节省耐磨材料使用量，降低燕尾三通的造价。

为实现上述技术任务，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种防沉积型通风气力输送管道燕尾三通，包括入口、内弧面a、下底板a、出口、外弧面a、上顶板a、上顶板b、外弧面b、法兰、下底板b和内弧面b；由内弧面a、下底板a、外弧面a、上顶板a合围组成第一矩形弯管，由上顶板b、外弧面b、下底板b和内弧面b组成第二矩形弯管，第一矩形弯管和第二矩形弯管的一端固连组成燕尾三通；其特征在于，所述下底板a、下底板b、外弧面a和外弧面b都被划分为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区组成；所述高尘粒浓度区和中尘粒浓度区上都使用不同粗糙高度的防积尘材料。

进一步的，在所述高尘粒浓度区使用的防积尘材料为不锈钢洁净管材。

进一步的，利用下式计算防积尘材料的粗糙高度：

$H_h={\mathrm{\γ}}_1\×K\×{\{INT\[10(\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\α}}_{h-m}}\×\frac{{\mathrm{\α}}_{max-h}}{{\mathrm{\α}}_{h-m}}-1)\]\}}^{-1}$

式中，H_h为高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_max-h为板面的最大尘粒浓度值；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₁为高尘粒浓度力区的粗糙高度常数系数，当INT函数值为1时取γ₁＝0.5，当INT函数值不为1时取γ₁＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

进一步的，在所述中尘粒浓度区使用的防积尘材料为镀锌薄钢板。

进一步的，利用下式计算防积尘材料的粗糙高度：

$H_m={\mathrm{\γ}}_2\×K\×{\{INT\[10(\frac{\mathrm{\α}}{{\mathrm{\α}}_{m-l}}\×\frac{{\mathrm{\α}}_{h-m}}{{\mathrm{\α}}_{m-l}})-1\]\}}^{-1}$

式中，H_m为中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α_m-l为划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₂为中尘粒浓度区粗糙高度常数系数，当INT函数值为1时取γ₂＝0.5，当INT函数值不为1时取γ₂＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

本发明的另一个目的在于，提供一种对燕尾三通的防积尘处理方法，包括以下步骤：

步骤1：对于燕尾三通，求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，确定燕尾三通稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)；

步骤2：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z),求得尘粒的滑移速度v_dr,p，m/s；

步骤3：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2所求解的滑移速度v_dr,p,代入式2所示的尘粒组分体积分数方程，对式2进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代进行求解，得到第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)，从而得到外弧面与下底板各自的尘粒浓度范围：

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\α}}_p{\mathrm{\ρ}}_p\right)+\▿\·\left({\mathrm{\α}}_p{\mathrm{\ρ}}_{p}U\right)=-\▿\·\left({\mathrm{\α}}_p{\mathrm{\ρ}}_p{v}_{dr,p}\right)+\underset{q=1}{\overset{n}{\Σ}}(m_{qp}-m_{pq})$ (式2)

式中，ρ_p为尘粒密度，m³/kg；t为时间，s；v_dr,p为滑移速度，m/s；m为质量流量，kg/s；

步骤4：根据步骤3得到的外弧面a、b与下底板a、b的尘粒浓度范围，分别计算得到各个板面的划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时计算得到外弧面a、b与下底板a、b的划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的阈值α_m-l；将α_h-m在板面上对应的曲线作为板面的高中尘粒浓度区包络曲线；将α_m-l在板面上对应的曲线作为板面中低尘粒浓度区包络曲线；

步骤5：分别在步骤4得到的各板面上的中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上取多个离散点，并获取这些离散点的坐标值；对中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程，然后用通用全局优化法对原始拟合曲线方程进行处理，得到中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程；

步骤6：将步骤5得到每个板面的每条拟合曲线方程作为板面上各尘粒浓度区的分界线，得到各板面的高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区。

步骤7：步骤6得到的每个板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板；计算各板面的高尘粒浓度区以及中尘粒浓度区内的防积尘材料的粗糙高度；根据防积尘材料的粗糙高度对防积尘材料的相应区域进行抛光。

进一步的，所述步骤2中，利用式1计算滑移速度v_dr,p：

$v_{dr,p}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_p{d_p}^2}{18{\mathrm{\μ}}_q{f}_{drag}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_p-{\mathrm{\ρ}}_m}{{\mathrm{\ρ}}_p}+v_q-U$ (式1)

式中，v_dr,p为尘粒的滑移速度，m/s；ρ_p为尘粒密度，m³/kg；ρ_m为混合物密度，m³/kg；d_p为尘粒直径，m；f_drag为曳力函数；v_q为空气速度，m/s，μ_q为空气动力粘性系数，m²/s。

进一步的，所述步骤4中，分别利用式3计算得到各个板面的划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时利用式4计算得到外弧面a、b与下底板a、b的划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的阈值α_m-l；

${\mathrm{\α}}_{h-m}={\mathrm{\α}}_{max-h}-\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{max-h}-{\mathrm{\α}}_{min-h}}{3}\right)\mathrm{\ξ},1\≤\mathrm{\ξ}\≤3$ (式3)

${\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}={\mathrm{\&alpha;}}_{\min -l}+\left(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\min -l}}{3}\right)\mathrm{\&psi;},0<\mathrm{\&psi;}\&le;1$ (式4)

式中，α_max-h、α_min-l分别为板面的最大尘粒浓度值和最小尘粒浓度值；ξ、ψ为区域划分常数，1≤ξ≤2，0＜ψ≤1；板面是指下底板a、下底板b、外弧面a或外弧面b。

进一步的，所述步骤7中，根据式5确定高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度：

$H_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}$ (式5)

式中，H_h为高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_max-h为板面的最大尘粒浓度值；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₁为高尘粒浓度力区粗糙高度常数系数，当式5中INT函数值为1的时候取γ₁＝0.5，当式5中INT函数值不为1的时候取γ₁＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

进一步的，所述步骤7中，根据式6确定中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度：

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$ (式6)

式中，H_m为中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α_m-l为划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₂为中尘粒浓度区粗糙高度常数系数，当式6中INT函数值为1的时候取γ₂＝0.5，当式6中INT函数值不为1的时候取γ₂＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

本发明具有如下优点：

(1)通过求解两相流动偏微分方程组的方法，能够准确定位90°矩形燕尾三通板面的尘粒浓度大小分布，有的放矢地进行防积尘处理，能够有效的减少风管燕尾三通内部尘粒的堆积。

(2)对下底板以及外弧面分别划分高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区，在高尘粒浓度区和中尘粒浓度区选择不同的洁净管材进行防积尘处理，能够有针对性且准确地处理到每一个需要处理的部位，提高了防积尘效果。

(3)对高尘粒浓度区、中尘粒浓度区的耐磨材料的粗糙高度进行精准设计，而且同一尘粒浓度区域可以选择不同粗糙高度，合适的粗糙高度能够提高耐磨效果。

附图说明

图1为现有燕尾三通结构示意图；

图2为下底板a防积尘处理示意图；

图3为下底板b防积尘处理示意图；

图4为外弧面a防积尘处理示意图；

图5为外弧面b防积尘处理示意图；

图6为现有燕尾三通内尘粒浓度场示意图；

图7为现有燕尾三通下底板a高尘粒浓度，中尘粒浓度和低尘粒浓度区图；

图8为现有燕尾三通下底板a高尘粒浓度，中尘粒浓度和低尘粒浓度区图；

图9为现有燕尾三通外弧面a高尘粒浓度，中尘粒浓度和低尘粒浓度区图；

图10为现有燕尾三通外弧面b高尘粒浓度，中尘粒浓度和低尘粒浓度区图；

图11为现有燕尾三通(a)与本发明的工业通风用洁净燕尾三通(b)的下底板a尘粒浓度分布对比图；

图12现有燕尾三通(a)与本发明的工业通风用洁净燕尾三通(b)的下底板b尘粒浓度分布对比图；

图13现有燕尾三通(a)与本发明的工业通风用洁净燕尾三通(b)的外弧面a尘粒浓度分布对比图；

图14现有燕尾三通(a)与本发明的工业通风用洁净燕尾三通(b)的外弧面b尘粒浓度分布对比图；

图中各标号含义：1-入口；2-内弧面a；3-下底板a；4-出口；5-外弧面a；6-上顶板a；7-上顶板a；8-外弧面b；9-法兰；10-下底板b；11-内弧面b；12-外弧面a高尘粒浓度区；13-外弧面a中尘粒浓度区；14-外弧面a低尘粒浓度区；15-外弧面b高尘粒浓度区；16-外弧面b中尘粒浓度区；17-外弧面b低尘粒浓度区；18-下底板a高尘粒浓度区；19-下底板a中尘粒浓度区；20-下底板a低尘粒浓度区；21-下底板b高尘粒浓度区；22-下底板b中尘粒浓度区；23-b下底板a低尘粒浓度区；

具体实施方式

如图1所示，本发明的工业通风用洁净弯头的主体采用常见的燕尾三通，常见的燕尾三通包括入口1、内弧面a2、下底板a3、出口4、外弧面a5、上顶板a6、上顶板b7、外弧面b8、法兰9、下底板b10和内弧面b11；由内弧面a2、下底板a3、外弧面a5、上顶板a6合围组成第一矩形弯管，由上顶板b7、外弧面b8、下底板b10和内弧面b11组成第二矩形弯管，第一矩形弯管和第二矩形弯管的一端固连组成燕尾三通。

为了有效防止弯头尘粒沉积，对常见的燕尾三通的下底板a3、下底板b10、外弧面a5和外弧面b8分别进行防尘粒沉积处理。由于上顶板和内弧面的尘粒沉积浓度值很低，本发明中不对上顶板a6、上顶板b7、内弧面a2和内弧面b11进行防尘粒沉积处理。防尘粒沉积处理具体如下：

下底板a3、下底板b10、外弧面a5和外弧面b8都被划分为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区组成。具体是：

如图2-图5所示，下底板a3分为高尘粒浓度区18、中尘粒浓度区19和低尘粒浓度区20；下底板b10分为高尘粒浓度区21、中尘粒浓度区22和低尘粒浓度区23；外弧面a5分为高尘粒浓度区12、中尘粒浓度区13和低尘粒浓度区14；外弧面b8分为高尘粒浓度区15、中尘粒浓度区16和低尘粒浓度区17；

可选的，高尘粒浓度区域采用不锈钢洁净管材，不锈钢洁净管材的粗糙高度：

$H_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}$

可选的，中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板，镀锌薄钢板的粗糙高度：

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}.$

本发明还给出了对燕尾三通的防积尘处理方法，包括以下步骤：

步骤1：对于常见的燕尾三通，求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，确定燕尾三通稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)。

可选的，上述连续性方程、N-S动量方程偏微分方程组的求解采用基于压力基求解的RNGk-ε湍流模型并结合simple算法。

步骤2：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z),代入式1，求得尘粒的滑移速度v_dr,p，m/s。

$v_{dr,p}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p{d_p}^2}{18{\mathrm{\&mu;}}_q{f}_{drag}}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_m}{{\mathrm{\&rho;}}_p}+v_q-U$ (式1)

式中，v_dr,p为尘粒的滑移速度，m/s；ρ_p为尘粒密度，m³/kg；ρ_m为混合物密度，m³/kg；d_p为尘粒直径，m；f_drag为曳力函数；v_q为空气速度，m/s，μ_q为空气动力粘性系数，m²/s。

可选的，f_drag可采用SchillerandNaumann模型进行求解。

步骤3：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2所求解的滑移速度v_dr,p,代入式2所示的尘粒组分体积分数方程，对式2进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代进行求解，得到第二相即尘粒的尘粒浓度α_p(x,y,z)，从而得到外弧面与下底板各自的尘粒浓度范围：

$\frac{\&part;}{\&part;t}\left({\mathrm{\&alpha;}}_p{\mathrm{\&rho;}}_p\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left({\mathrm{\&alpha;}}_p{\mathrm{\&rho;}}_{p}U\right)=-\&dtri;\&CenterDot;\left({\mathrm{\&alpha;}}_p{\mathrm{\&rho;}}_p{v}_{dr,p}\right)+\underset{q=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(m_{qp}-m_{pq})$ (式2)

式中，ρ_p为尘粒密度，m³/kg；t为时间，s；v_dr,p为滑移速度，m/s；m为质量流量，kg/s。

步骤4：根据步骤3得到的外弧面a、b与下底板a、b的尘粒浓度范围，分别利用式3得到各个板面的划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时利用式4得到外弧面a、b与下底板a、b的划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的阈值α_m-l；将α_h-m在板面上对应的曲线作为板面的高尘粒浓度区和中尘粒浓度区分界线，即高中尘粒浓度区包络曲线；将α_m-l在板面上对应的曲线作为板面的中尘粒浓度区和低尘粒浓度区分界线，即中低尘粒浓度区包络曲线；

${\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}={\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-\left(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-{\mathrm{\&alpha;}}_{min-h}}{3}\right)\mathrm{\&xi;},1\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;3$ (式3)

${\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}={\mathrm{\&alpha;}}_{\min -l}+\left(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\min -l}}{3}\right)\mathrm{\&psi;},0<\mathrm{\&psi;}\&le;1$ (式4)

式中，α_max-h、α_min-l分别为板面的最大尘粒浓度值和最小尘粒浓度值；ξ、ψ为区域划分常数，ξ/ψ越大，划分的高尘粒浓度区范围越大，低尘粒浓度区范围越小，需要防尘粒沉积处理的区域范围就越大，弯头防尘粒沉积的效果越好，但是防尘粒沉积处理材料的增加产生的管道阻力会增大，费用也会相应增加。经过试验验证，选取1≤ξ≤2，0＜ψ≤1能够有效降低管道阻力，实现较佳的防尘粒沉积效果。板面是指下底板a3、下底板b10、外弧面a5或外弧面b8。

步骤5：分别在步骤4得到的各板面上的中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上取足够多(不少于200个)离散点，并获取这些离散点的坐标值；采用Levenberg-Marquardt算法对中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程，然后用通用全局优化法对原始拟合曲线方程进行处理，得到中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程。

从包络曲线上的点的坐标值可以看出，包络曲线上数值变化幅度不确定，参数量较多，采用优化计算领域中常用的各类迭代法时，参数初始值设定繁琐且计算难以收敛，无法求得正确结果，发明人进行了大量试验验证，发现采用Levenberg-Marquardt+通用全局优化算法，能够从任一随机初始值开始都能求得正确结果，进而能够得出各包络曲线对应的高精度、低残差的拟合曲线方程。

步骤6：将步骤5得到每个板面的每条拟合曲线方程作为板面上各尘粒浓度区的分界线，得到各板面的高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区。

步骤7：步骤6得到的每个板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板。具体如下：

高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材的粗糙高度根据式5确定，中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度根据式6确定。由式5、式6可知，同一尘粒浓度区内采用的防尘粒沉积材料粗糙高度随着尘粒浓度大小而不同，因此，在同一尘粒浓度区的不同尘粒浓度区段计算得到的防尘粒沉积材料粗糙高度为一个或多个。

$H_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}$ (式5)

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$ (式6)

式中，H_h为高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度，mm；H_m为中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_max-h为板面的最大尘粒浓度值；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α_m-l为划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₁、γ₂分别为高尘粒浓度力区、中尘粒浓度区粗糙高度常数系数，当式5,6中INT函数值为1的时候取γ₁，γ₂＝0.5，当式5,6中INT函数值不为1的时候取γ₁，γ₂＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

根据计算得到的各板面的各尘粒浓度区内需要采用防尘粒沉积材料的粗糙高度，在在高尘粒浓度区域采用不锈钢洁净管材，在中尘粒浓度区域采用镀锌薄钢板，在同一尘粒浓度区内根据防尘粒沉积材料的不同粗糙高度进行抛光，能够进一步降低管道阻力以及材料费用。

实施例1

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。

遵从上述技术方案，本实施例中的燕尾三通的入口和出口的截面均为320mm×250mm，上顶板、下底板、内弧面和外弧面的材料为钢板，粗糙高度均为K＝0.15mm，内弧面半径为320mm，外弧面半径为640mm，在燕尾三通入口前端接有2m长的直管段，出口后端接有2m长的直管段。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中风管主管段风速为5～6.5m/s，最大不超过8m/s的要求，入口前端直管段入口风速取为6m/s。

采用如下步骤对上述燕尾三通进行防尘粒沉积处理：

步骤1：对于燕尾三通，采用基于压力基求解的RNGk-ε湍流模型并结合simple算法求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，确定燕尾三通稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)。

步骤2：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z),代入式1，求得尘粒的滑移速度v_dr,p。

步骤3：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2所求解的滑移速度v_dr,p,代入式2所示的尘粒组分体积分数方程，对式2进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代进行求解，得到第二相即尘粒的尘粒浓度α_p(x,y,z)，从而得到外弧面与下底板的尘粒浓度范围。

步骤4：取α＝β＝1，利用式3得到外弧面与下底板的划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m分别为：0.0121，0.0123；利用式4得到外弧面与下底板的划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的阈值α_m-l分别为0.01，0.0103。将α_h-m在板面上对应的曲线作为板面的高尘粒浓度区和中尘粒浓度区分界线，即高中尘粒浓度区包络曲线；将α_m-l在板面上对应的曲线作为板面的中尘粒浓度区和低尘粒浓度区分界线，即中低尘粒浓度区包络曲线。

步骤5：分别在步骤4得到的各板面上的中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上取200个离散点，并获取这些离散点的坐标值；采用Levenberg-Marquardt算法对中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程；然后用通用全局优化法对原始拟合曲线方程进行不依赖初值的智能优化，得到相关系数大于0.99的中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程。

得到各板面上中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程，见表1。下底板a高尘粒浓度区区域包络曲线方程为1，中尘粒浓度区区域包络曲线方程为2；下底板b高尘粒浓度区区域包络曲线方程为3，中尘粒浓度区区域包络曲线方程为4；外弧面a高尘粒浓度区区域包络曲线方程为5，外弧面a中尘粒浓度区区域包络曲线方程为6；外弧面a高尘粒浓度区区域包络曲线方程为7，外弧面a中尘粒浓度区区域包络曲线方程为8。

表1包络曲线对应的拟合曲线方程

(x^*和y^*为无量纲坐标，其中r为弯头半径)

步骤6：将步骤5得到每个板面的每条拟合曲线方程作为板面上各尘粒浓度区的分界线，得到各板面的高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区。

步骤7：步骤6得到的每个板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板。具体如下：

根据式5，分别计算外弧面a、b和下底板a、b的高尘粒浓度区内防尘粒沉积材料粗糙高度(见表2)；可见，在外弧面和下底板的高尘粒浓度力区内的不同区段得到的粗糙高度不同；

根据计算得到的外弧面a、外弧面b的高尘粒浓度区内防尘粒沉积材料分为两种粗糙高度抛光，下底板a、下底板b高尘粒浓度力区内防尘粒沉积材料分为两种粗糙高度抛光。

根据式6，分别计算外弧面a、b和下底板a、b的中尘粒浓度力区内防尘粒沉积材料粗糙高度；根据计算得到的外弧面中噪音区内防尘粒沉积材料粗糙高度，在外弧面的中噪音区内防尘粒沉积材料分为三种粗糙高度抛光，下底板中噪音区内防尘粒沉积材料分为三种粗糙高度抛光。防尘粒沉积材料及粗糙高度值如表2。

表2各尘粒浓度区防尘粒沉积材料及粗糙高度

例如：下底板a的高尘粒浓度区不锈钢洁净管材抛光的粗糙高度H_h的求取如下：

下底板a的高尘粒浓度区域的为0.0128-0.0154，此时α_h-m＝0.0128(α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值)，α_max-h＝0.0154(α_max-h为板面的最大尘粒浓度值)。α的取值范围就是0.0128-0.0154。K为燕尾三通管当量粗糙高度，取K＝0.15mm。

第一步：首先取α＝0.0128代入式5可知：

$\begin{array}{c}{H}_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max -h}}{{}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{0.0128}{0.0128}\&times;\frac{0.0154}{0.0128}-1)\&rsqb;\}}^{-1}\\ ={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;2.031\&rsqb;\}}^{-1}\end{array}$

因为INT是一个数值向下取整为最接近的整数的函数，

所以INT[2.023]＝2，

因为INT[2.023]＝2时，取γ₁＝1

所以H_h＝γ₁×K×0.5＝1×0.15×2^-1≈0.08

第二步：同理：依次取α＝0.0128-0.0138代入式5可知：

H_h＝γ₁×K×2^-1＝1×0.15×2^-1≈0.08

依次取α＝0.0138-00.0154代入式5可知：

H_h＝γ₁×K×3^-1＝1×0.15×3^-1≈0.05

所以计算出：H_h在下底板高尘粒浓度区域(0.0128-0.0154)中的0.0128-0.0138区域时，H_h＝0.08mm；

H_h在下底板高尘粒浓度区域(0.0128-0.0154)中的0.0138-0.0154区域时，H_h＝0.05mm

所以计算出同一尘粒浓度区内的不同尘粒浓度区段抛光的防尘粒沉积材料粗糙高度可以不同。

经本发明的上述方法进行防尘粒沉积处理后的工业通风用燕尾三通的尘粒浓度场分布如图11、12和13。经比较，本发明的工业通风用洁净弯头的防尘粒沉积效果明显，最高将高尘粒浓度区域的尘粒浓度由0.0154减小到0.0069，降低了55.2％，将中尘粒浓度区域的尘粒浓度由0.013减小到0.0065，降低了50％。与此同时，变粗糙高度的方法有效降低了防尘粒沉积材料的抛光工程量及其产生的管道阻力，降低了初投资成本。

Claims (10)

1.一种防沉积型通风气力输送管道燕尾三通，包括入口、内弧面a、下底板a、出口、外弧面a、上顶板a、上顶板b、外弧面b、法兰、下底板b和内弧面b；由内弧面a、下底板a、外弧面a、上顶板a合围组成第一矩形弯管，由上顶板b、外弧面b、下底板b和内弧面b组成第二矩形弯管，第一矩形弯管和第二矩形弯管的一端固连组成燕尾三通；其特征在于，所述下底板a、下底板b、外弧面a和外弧面b都被划分为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区组成；所述高尘粒浓度区和中尘粒浓度区都分别使用不同粗糙高度的防积尘材料。

2.如权利要求1所述的防沉积型通风气力输送管道燕尾三通，其特征在于，所述高尘粒浓度区使用的防积尘材料为不锈钢洁净管材。

3.如权利要求1或2所述的防沉积型通风气力输送管道燕尾三通，其特征在于，利用下式计算防积尘材料的粗糙高度：

$H_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}$

式中，H_h为高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_max-h为板面的最大尘粒浓度值；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₁为高尘粒浓度力区的粗糙高度常数系数，当INT函数值为1时取γ₁＝0.5，当INT函数值不为1时取γ₁＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

4.如权利要求1所述的防沉积型通风气力输送管道燕尾三通，其特征在于，所述中尘粒浓度区使用的防积尘材料为镀锌薄钢板。

5.如权利要求1或4所述的防沉积型通风气力输送管道燕尾三通，其特征在于，利用下式计算防积尘材料的粗糙高度：

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$

式中，H_m为中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α_m-l为划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₂为中尘粒浓度区粗糙高度常数系数，当INT函数值为1时取γ₂＝0.5，当INT函数值不为1时取γ₂＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

6.一种对燕尾三通的防积尘处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对于燕尾三通，求解空气和尘粒混合流动的两相流的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，确定燕尾三通稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)；

步骤2：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z),求得尘粒的滑移速度v_dr,p，m/s；

步骤3：根据步骤1得到的燕尾三通稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2所求解的滑移速度v_dr,p,代入式2所示的尘粒组分体积分数方程，对式2进行一阶迎风格式离散化，并利用高斯-赛德尔迭代进行求解，得到第二相即尘粒的体积浓度α_p(x,y,z)，从而得到外弧面与下底板各自的尘粒浓度范围：

$\frac{\&part;}{\&part;t}\left({\mathrm{\&alpha;}}_p{\mathrm{\&rho;}}_p\right)+\&dtri;\&CenterDot;\left({\mathrm{\&alpha;}}_p{\mathrm{\&rho;}}_{p}U\right)=-\&dtri;\&CenterDot;\left({\mathrm{\&alpha;}}_p{\mathrm{\&rho;}}_p{v}_{dr,p}\right)+\underset{q=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(m_{qp}-m_{pq})$ (式2)

式中，ρ_p为尘粒密度，m³/kg；t为时间，s；v_dr,p为滑移速度，m/s；m为质量流量，kg/s；

步骤4：根据步骤3得到的外弧面a、b与下底板a、b的尘粒浓度范围，分别计算得到各个板面的划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时计算得到外弧面a、b与下底板a、b的划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的阈值α_m-l；将α_h-m在板面上对应的曲线作为板面的高中尘粒浓度区包络曲线；将α_m-l在板面上对应的曲线作为板面中低尘粒浓度区包络曲线；

步骤5：分别在步骤4得到的各板面上的中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上取多个离散点，并获取这些离散点的坐标值；对中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合，得到原始拟合曲线方程，然后用通用全局优化法对原始拟合曲线方程进行处理，得到中低尘粒浓度区包络曲线、高中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程；

步骤6：将步骤5得到每个板面的每条拟合曲线方程作为板面上各尘粒浓度区的分界线，得到各板面的高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区。

步骤7：步骤6得到的每个板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板；计算各板面的高尘粒浓度区以及中尘粒浓度区使用的防积尘材料的粗糙高度；根据防积尘材料的粗糙高度对防积尘材料的相应区域进行抛光。

7.如权利要求6所述的对燕尾三通的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤2中，利用式1计算滑移速度v_dr,p：

$v_{dr,p}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p{d_p}^2}{18{\mathrm{\&mu;}}_q{f}_{drag}}\frac{{\mathrm{\&rho;}}_p-{\mathrm{\&rho;}}_m}{{\mathrm{\&rho;}}_p}+v_q-U$ (式1)

式中，v_dr,p为尘粒的滑移速度，m/s；ρ_p为尘粒密度，m³/kg；ρ_m为混合物密度，m³/kg；d_p为尘粒直径，m；f_drag为曳力函数；v_q为空气速度，m/s，μ_q为空气动力粘性系数，m²/s。

8.如权利要求6所述的对燕尾三通的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤4中，分别利用式3计算得到各个板面的划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时利用式4计算得到外弧面a、b与下底板a、b的划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的阈值α_m-l；

${\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}={\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-\left(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-{\mathrm{\&alpha;}}_{min-h}}{3}\right)\mathrm{\&xi;},1\&le;\mathrm{\&xi;}\&le;3$ (式3)

${\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}={\mathrm{\&alpha;}}_{\min -l}+\left(\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}-{\mathrm{\&alpha;}}_{min-l}}{3}\right)\mathrm{\&psi;},0<\mathrm{\&psi;}\&le;1$ (式4)

式中，α_max-h、α_min-l分别为板面的最大尘粒浓度值和最小尘粒浓度值；ξ、ψ为区域划分常数，1≤ξ≤2，0＜ψ≤1；板面是指下底板a、下底板b、外弧面a或外弧面b。

9.如权利要求6所述的对燕尾三通的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤7中，根据式5确定高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度：

$H_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{max-h}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}$ (式5)

式中，H_h为高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_max-h为板面的最大尘粒浓度值；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₁为高尘粒浓度力区粗糙高度常数系数，当式5中INT函数值为1的时候取γ₁＝0.5，当式5中INT函数值不为1的时候取γ₁＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。

10.如权利要求6所述的对燕尾三通的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤7中，根据式6确定中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度：

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$ (式6)

式中，H_m为中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板的粗糙高度，mm；K为弯管当量粗糙高度，mm；α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α_m-l为划分中尘粒浓度区和低尘粒浓度区的尘粒浓度阈值；α为高尘粒浓度区或中尘粒浓度区任意点处的尘粒浓度值；γ₂为中尘粒浓度区粗糙高度常数系数，当式6中INT函数值为1的时候取γ₂＝0.5，当式6中INT函数值不为1的时候取γ₂＝1；INT是将一个数值向下取整为最接近的整数的函数。