CN105570592A - 一种u型管道弯头的防积尘处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种U型管道弯头的防积尘处理方法，具体步骤为：确定该型管道弯头的稳态湍流混合物速度场；求解尘粒的滑移速度；计算U型管道弯头板面的尘粒浓度范围；获取板面的高、中尘粒浓度区包络曲线以及中、低尘粒浓度区包络曲线；获取中、低尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程，即得到该板面的高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区；在板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，并在中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板。本发明可有效减少悬浮颗粒物在弯头处的沉积，同时节省耐磨材料的使用量，降低弯头的造价，解决现有技术中的风管弯头容易积尘的问题。

Description

一种U型管道弯头的防积尘处理方法

技术领域

本发明属于工业通风领域，具体涉及一种U型管道弯头的防积尘处理方法。

背景技术

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的相互碰撞摩擦产生静电吸附而越积越多，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的积尘。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。尤其是在风管的弯头等局部阻力构件处，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。风道积尘带来的危害主要有两种：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.空气在风道内流动会由于粘性及流体的相对运动产生内摩擦力，空气在风道内流动要克服这种阻力而耗费能量。

据了解，目前常用的风管弯头并无任何防粉尘沉积的措施。为了防止悬浮颗粒物在管道弯头等易积尘处的沉积，简单的思路是使用粗糙高度尽可能低的洁净管材制作风管弯头。但在实际情况下，并非风管弯头所有部位都易积尘，也就是说有些不易积尘的面或是同一个面的某些部位不易积尘，采用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，造成整个风管弯头造价的不必要提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种U型管道弯头的防积尘处理方法，在不同积尘浓度的部位采用不同粗糙高度的洁净材料，可有效减少悬浮颗粒物在弯头处的沉积，同时节省耐磨材料的使用量，降低弯头的造价，解决现有技术中的风管弯头容易积尘的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种U型管道弯头的防积尘处理方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1、选定一个U型管道弯头并确定该U型管道弯头的稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)；

步骤2、根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)求得尘粒的滑移速度v_dr,p；

步骤3、根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2求得的尘粒的滑移速度v_dr,p计算U型管道弯头的板面的尘粒浓度范围；

步骤4、根据步骤3计算得到的板面的尘粒浓度范围，获取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，以及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、根据步骤4得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线，获取中、低尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、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得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上中、低尘粒浓度区的分界线，并将高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上高、中尘粒浓度区的分界线，即得到该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、在步骤6得到的板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，并在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。

本发明的特点还在于：

步骤1是通过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，以确定U型管道弯头稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)。

所述的连续性方程及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算法进行。

步骤2具体如下：根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)，代入公式1中，求得尘粒的滑移速度v_dr,p：

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

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

步骤2中所述的f_drag采用SchillerandNaumann模型进行求解得到。

步骤3具体如下：根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2求得的尘粒的滑移速度v_dr,p，代入公式2中所示的尘粒组分体积分数方程，对公式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)，从而求得U型管道弯头的板面的尘粒浓度范围；

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

其中，ρ_p为尘粒密度，单位为m³/kg；t为时间，单位为s；v_dr,p为尘粒的滑移速度，单位为m/s；Δm_q为质量流量，单位为kg/s。

步骤4具体如下：根据步骤3得到的板面的尘粒浓度范围，利用公式3求解板面中划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时利用公式4求解板面中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；

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

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

其中，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。

步骤5具体如下：在步骤4得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线上分别取不少于200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及高、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对应的拟合曲线方程及高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程。

对所述中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合是采用Levenberg-Marquardt算法，对原始拟合曲线方程进行处理是采用通用全局优化法。

步骤7中在高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度根据公式5确定，中尘粒浓度区采用的镀锌薄钢板的粗糙高度根据公式6确定；由公式5、公式6可知，同一尘粒浓度区内采用的防积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积尘粒沉积材料粗糙高度为一个或多个；

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

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$ (公式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，单位为mm；H_m为中尘粒浓度区采用的镀锌薄钢板的粗糙高度，单位为mm；K为U型管道弯头的当量粗糙高度，单位为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分别为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区的粗糙高度常数系数，当公式5,公式6中INT函数值为1的时候取γ₁，γ₂＝0.5，当公式5,公式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。

本发明的有益效果是：

1.通过求解两相流动偏微分方程组的方法，能够准确定位U型管道弯头板面的尘粒浓度大小分布，有的放矢地进行防积尘处理，能够有效地减少风管弯头内部尘粒的堆积。

2.对下底板7以及外弧面2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，并且同一尘粒浓度区域可以选择不同粗糙高度的材料，合适的粗糙高度能够提高耐磨效果。

附图说明

图1为U型管道弯头的结构示意图；

图2为下底板的尘粒浓度区划分示意图；

图3为外弧面的尘粒浓度区划分示意图；

图4为未经防积尘处理的U型管道弯头内尘粒浓度场示意图；

图5为未经防积尘处理的U型管道弯头下底板高尘粒浓度、中尘粒浓度和低尘粒浓度区图；

图6为未经防积尘处理的U型管道弯头外弧面高尘粒浓度、中尘粒浓度和低尘粒浓度区图；

图7a与图7b为未经防积尘处理的U型管道弯头与经过本发明的方法进行防积尘处理后的U型管道弯头下底板尘粒浓度分布对比图；

图8a与图8b为未经防积尘处理的U型管道弯头与经过本发明的方法进行防积尘处理后的U型管道弯头外弧面尘粒浓度分布对比图。

图中，1.入口，2.外弧面，3.上顶板，4.出口，5.法兰，6.内弧面，7.下底板，8.外弧面低尘粒浓度区，9.外弧面中尘粒浓度区，10.外弧面高尘粒浓度区，11.下底板低尘粒浓度区，12.下底板中尘粒浓度区，13.下底板高尘粒浓度区。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明一种U型管道弯头的防积尘处理方法，如图1所示，待处理的U型管道弯头的主体采用常见的U型管道弯头，包括上顶板3、下底板7、外弧面2和内弧面6；上顶板3、下底板7、外弧面2和内弧面6作为四个面合围得到一个1/2圆的弧形管。上顶板3与下底板7相同。

为了有效防止弯头尘粒沉积，对常见的U型管道弯头的下底板7和外弧面2分别进行防积尘粒沉积处理。由于上顶板3和内弧面6的尘粒沉积浓度值很低，本发明中不对上顶板3和内弧面6进行防积尘粒沉积处理。因此，下述方法步骤中的板面为下底板7或外弧面2。防积尘粒沉积处理具体如下：

下底板7和外弧面2的位于U型管道弯头内的侧面都被划分为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区和低尘粒浓度区。具体是，如图2、图3所示：下底板7的位于U型管道弯头内的侧面被依次分为低尘粒浓度区11、中尘粒浓度区12和高尘粒浓度区13；外弧面2的位于U型管道弯头内的侧面被依次分为低尘粒浓度区8、中尘粒浓度区9和高尘粒浓度区10。由于低尘粒浓度区的尘粒沉积浓度很低，故不做防积尘粒沉积处理。

经过防积尘处理后，在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：

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

在中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板，镀锌薄钢板的粗糙高度：

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

具体的防积尘处理方法按照以下步骤进行：

步骤1、选定一个U型管道弯头，并通过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，以确定U型管道弯头稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)；所述的连续性方程及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算法进行；

步骤2、根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)，代入公式1中，求得尘粒的滑移速度v_dr,p：

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

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

所述的f_drag采用SchillerandNaumann模型进行求解得到；

步骤3、根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2求得的尘粒的滑移速度v_dr,p，代入公式2中所示的尘粒组分体积分数方程，对公式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)，从而求得U型管道弯头的板面的尘粒浓度范围；

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

其中，ρ_p为尘粒密度，单位为m³/kg；t为时间，单位为s；v_dr,p为尘粒的滑移速度，单位为m/s；Δm_q为质量流量，单位为kg/s；

步骤4、根据步骤3得到的板面的尘粒浓度范围，利用公式3求解板面中划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时利用公式4求解板面中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；

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

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

其中，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；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，需要防积尘粒沉积处理的区域范围就越大，弯头防积尘粒沉积的效果越好，但是防积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，实现较佳的防积尘粒沉积效果；

步骤5、在步骤4得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线上分别取不少于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及高、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，然后采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对应的拟合曲线方程及高、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，本发明进行了大量的试验验证，发现采用Levenberg-Marquardt结合通用全局优化算法，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得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上中、低尘粒浓度区的分界线，并将高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上高、中尘粒浓度区的分界线，即得到该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、在步骤6得到的板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，并在中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板，即完成该U型管道弯头的防积尘处理；

所述在高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度根据公式5确定，中尘粒浓度区采用的镀锌薄钢板的粗糙高度根据公式6确定；由公式5、公式6可知，同一尘粒浓度区内采用的防积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积尘粒沉积材料粗糙高度为一个或多个；

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

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$ (公式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，单位为mm；H_m为中尘粒浓度区采用的镀锌薄钢板的粗糙高度，单位为mm；K为U型管道弯头的当量粗糙高度，单位为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分别为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区的粗糙高度常数系数，当公式5,公式6中INT函数值为1的时候取γ₁，γ₂＝0.5，当公式5,公式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。

根据计算得到的板面的各尘粒浓度区内需要采用的防积尘粒沉积材料的粗糙高度，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积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U型管道弯头的入口和出口的截面均为320mm×250mm，上顶板3、下底板7、内弧面6和外弧面2的材料为钢板，粗糙高度均为K＝0.15mm，内弧面6的半径为320mm，外弧面2的半径为640mm，在U型管道弯头入口前端接有2m长的直管段，出口后端也接有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U型管道弯头进行防积尘处理：

步骤1、对于U型管道弯头，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U型管道弯头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U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z),代入上述公式1中，求得尘粒的滑移速度v_dr,p。

步骤3、根据步骤1得到的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2所求得的滑移速度v_dr,p，代入上述公式2所示的尘粒组分体积分数方程，对公式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，得到第二相尘粒的组分体积分数α_p(x,y,z)，从而得到外弧面与下底板的尘粒浓度范围，如图4所示。

步骤4、取α＝β＝1，利用上述公式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；利用上述公式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，如图5，6所示。

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及高、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及高、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及高、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及高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程，见表1。其中，A代表下底板高尘粒浓度区区域包络曲线方程，B代表下底板中尘粒浓度区区域包络曲线方程；C代表外弧面高尘粒浓度区区域包络曲线方程，D代表外弧面中尘粒浓度区区域包络曲线方程。

表1包络曲线方程

(x^*和y^*为无量纲坐标，其中r为弯头半径)

步骤6、将步骤5得到的每个板面的每条拟合曲线方程作为该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、在步骤6得到的每个板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，在中尘粒浓度区采用镀锌薄钢板。具体如下：

根据上述公式5，分别计算外弧面和下底板的高尘粒浓度区内防积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高尘粒浓度区内防积尘粒沉积材料分为三种粗糙高度抛光，下底板高尘粒浓度区内防积尘粒沉积材料分为三种粗糙高度抛光。

根据上述公式6，分别计算外弧面和下底板的中尘粒浓度区内防积尘粒沉积材料粗糙高度；根据计算得到的外弧面中尘粒浓度区防积尘粒沉积材料粗糙高度，在外弧面的中尘粒浓度区内防积尘粒沉积材料分为三种粗糙高度抛光，下底板中尘粒浓度区内防积尘粒沉积材料分为三种粗糙高度抛光。防积尘粒沉积材料及粗糙高度值如表2。

表2各尘粒浓度区防积尘粒沉积材料及粗糙高度

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

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

例如：下底板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：

下底板的高尘粒浓度区域的尘粒浓度范围为0.014-00.018，此时α_h-m＝0.0123(α_h-m为划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值)，α_max-h＝0.018(α_max-h为板面的最大尘粒浓度值)。α的取值范围就是0.014-00.018。K为U型管道弯管当量粗糙高度，取K＝0.15mm。

第一步：首先取α＝0.014代入公式5可知：

$\begin{array}{c}{H}_h={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max -h}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}-1)\&rsqb;\}}^{-1}={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{0.014}{0.014}\&times;\frac{0.018}{0.014}-1)\&rsqb;\}}^{-1}\\ ={\mathrm{\&gamma;}}_1\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;2.857\&rsqb;\}}^{-1}\end{array}$

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[2.857]＝2，

因为INT[2.857]＝2，取γ₁＝1

所以H_h＝γ₁×K＝0.5×0.15≈0.08。

第二步：同理：依次取α＝0.0141-0.0152代入公式5可知：

H_h＝γ₁×K×3^-1＝0.15×3^-1≈0.05。

第三步：取α＝0.0152-0.0162代入公式5可知：

H_h＝γ₁×K×0.25＝1×0.15×0.25≈0.04。

第四步：依次取α＝0.0162-0.0180代入公式5可知：

H_h＝γ₁×K×0.2＝1×0.15×0.2≈0.03

由于0.08对应的区间(0.014-0.0141)太小，因此将其并入0.05对应的区间(0.0141-0.0152)，这样下底板高尘粒浓度区域(0.014-0.018)中的0.014-0.0152区域时，H_h＝0.05mm。

所以计算出：H_h在下底板高尘粒浓度区域(0.014-0.018)中的0.014-0.0152区域时，H_h＝0.05mm。

H_h在下底板高尘粒浓度区域(0.014-0.018)中的0.0152-0.0162区域时，H_h＝0.04mm。

H_h在下底板高尘粒浓度区域(0.014-0.018)中的0.0162-0.018区域时，H_h＝0.03mm。

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积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积尘粒沉积处理后的工业通风用洁净弯头的尘粒浓度场分布如图7a、图7b和图8a、图8b所示，不同的颜色深度代表不同的尘粒浓度区。经比较，本发明的工业通风用U型管道弯头的防积尘处理方法效果明显，最高将高尘粒浓度区域的尘粒浓度由0.018减小到0.0085，降低了53％，将中尘粒浓度区域的尘粒浓度由0.014减小到0.0071，降低了49％。与此同时，变粗糙高度的方法有效降低了防积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U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤1、选定一个U型管道弯头并确定该U型管道弯头的稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)；

步骤2、根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)求得尘粒的滑移速度v_dr,p；

步骤3、根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2求得的尘粒的滑移速度v_dr,p计算U型管道弯头的板面的尘粒浓度范围；

步骤4、根据步骤3计算得到的板面的尘粒浓度范围，获取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，以及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、根据步骤4得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线，获取中、低尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程及高、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得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上中、低尘粒浓度区的分界线，并将高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程作为该板面上高、中尘粒浓度区的分界线，即得到该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、在步骤6得到的板面的高尘粒浓度区采用不锈钢洁净管材，并在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。

2.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤1是通过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，以确定U型管道弯头稳态湍流混合物速度场U(x,y,z)。

3.根据权利要求2所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述的连续性方程及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算法进行。

4.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤2具体如下：根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)，代入公式1中，求得尘粒的滑移速度v_dr,p：

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

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

5.根据权利要求4所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，步骤2中所述的f_drag采用SchillerandNaumann模型进行求解得到。

6.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：根据步骤1确定的U型管道弯头稳态湍流速度场U(x,y,z)和步骤2求得的尘粒的滑移速度v_dr,p，代入公式2中所示的尘粒组分体积分数方程，对公式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)，从而求得U型管道弯头的板面的尘粒浓度范围；

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

其中，ρ_p为尘粒密度，单位为m³/kg；t为时间，单位为s；v_dr,p为尘粒的滑移速度，单位为m/s；Δm_q为质量流量，单位为kg/s。

7.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：根据步骤3得到的板面的尘粒浓度范围，利用公式3求解板面中划分高尘粒浓度区和中尘粒浓度区的阈值α_h-m；同时利用公式4求解板面中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；

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

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

其中，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。

8.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤5具体如下：在步骤4得到的板面上的中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线上分别取不少于200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及高、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对应的拟合曲线方程及高、中尘粒浓度区包络曲线对应的拟合曲线方程。

9.根据权利要求8所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，对所述中、低尘粒浓度区包络曲线及高、中尘粒浓度区包络曲线上的离散点的坐标值进行拟合是采用Levenberg-Marquardt算法，对原始拟合曲线方程进行处理是采用通用全局优化法。

10.根据权利要求1所述的一种U型管道弯头的防积尘处理方法，其特征在于，所述步骤7中在高尘粒浓度区采用的不锈钢洁净管材的粗糙高度根据公式5确定，中尘粒浓度区采用的镀锌薄钢板的粗糙高度根据公式6确定；由公式5、公式6可知，同一尘粒浓度区内采用的防积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积尘粒沉积材料粗糙高度为一个或多个；

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

$H_m={\mathrm{\&gamma;}}_2\&times;K\&times;{\{INT\&lsqb;10(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}}\&times;\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{h-m}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{m-l}})-1\&rsqb;\}}^{-1}$ (公式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，单位为mm；H_m为中尘粒浓度区采用的镀锌薄钢板的粗糙高度，单位为mm；K为U型管道弯头的当量粗糙高度，单位为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分别为高尘粒浓度区、中尘粒浓度区的粗糙高度常数系数，当公式5,公式6中INT函数值为1的时候取γ₁，γ₂＝0.5，当公式5,公式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。