CN107166570A - 基于环流场异型风道除霾装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属空气净化装置领域，尤其涉及一种基于环流场异型风道除霾装置及其制造方法，包括工作仓(8)、扩风口(1)、异型风道(2)、轴流风机(4)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)；离心风机(5)设于引风风道(6)的入口端；所述引风风道(6)的出口端伸入溶液吸收装置(7)的过滤液体中；所述扩风口(1)的出风口经轴流风机(4)与异型风道(2)的入风口相通；所述过滤器(3)固定设于异型风道(2)的出风口；本发明净化效果理想，风道进口风压大，边界阻力小，除霾效率高，适用范围广，兼容性强。
Description
技术领域
本发明属空气净化装置领域，尤其涉及一种基于环流场异型风道除霾装置 及其制造方法。
背景技术
随着环境污染越来越严重，空气的污染变成了重灾区，我国大部分地区的 雾霾天数增多，现在不仅是局部室外空气污染严重，城市整体上空的空气都有 严重的污染，因此空气的净化被人们越发重视了。雾霾，是雾和霾的组合词。 雾霾常见于城市。中国不少地区将雾并入霾一起作为灾害性天气现象进行预警 预报，统称为“雾霾天气”。雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。 高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物，一旦排放超过大气循 环能力和承载度，细颗粒物浓度将持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极 易出现大范围的雾霾。雾和霾相同之处都是视程障碍物。雾与霾的形成原因和 条件却有很大的差别。雾是浮游在空中的大量微小水滴或冰晶，形成条件要具 备较高的水汽饱和因素。雾气看似温和，里面却含有各种对人体有害的细颗粒、 有毒物质达20多种，包括了酸、碱、盐、胺、酚等，以及尘埃、花粉、螨虫、 流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌等，其含量是普通大气水滴的几十倍。与雾相 比，霾对人的身体健康的危害更大。由于霾中细小粉粒状的飘浮颗粒物直径一 般在0.01微米以下，可直接通过呼吸系统进入支气管，甚至肺部。所以，霾影 响最大的就是人的呼吸系统，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、脑血管疾病、 鼻腔炎症等病种上。同时，灰霾天气时，气压降低、空气中可吸入颗粒物骤增、 空气流动性差，有害细菌和病毒向周围扩散的速度变慢，导致空气中病毒浓度 增高，疾病传播的风险很高。目前，普遍采用的空气净化装置虽然在一定程度 上解决了除霾问题，但上述装置普遍存在风道进口风压小，边界阻力大，除霾 效率不高等问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种净化效果理想，风道进口 风压大，边界阻力小，除霾效率高，适用范围广，兼容性强的基于环流场异型 风道除霾装置及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
基于环流场异型风道除霾装置包括工作仓、扩风口、异型风道、轴流风机、 过滤器、离心风机、引风风道及溶液吸收装置；所述异型风道、过滤器、离心 风机、引风风道及溶液吸收装置固定设于工作仓内；所述离心风机设于引风风 道的入口端；所述引风风道的出口端伸入溶液吸收装置的过滤液体中；所述扩 风口的出风口经轴流风机与异型风道的入风口相通；所述过滤器固定设于异型 风道的出风口；所述扩风口1采用喇叭口结构。
作为一种优选方案，本发明所述异型风道2X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线 高斯拟合函数：
式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度；
将X1轴剖面形成的闭合曲线分为10个特征点，F(X1)、F(X2)、F(X3)、F(X4)、 F(X5)及F(X6)为变量坐标；X轴向各个闭合曲线的数学模型：
将Y1轴剖面形成的闭合曲线分为8个特征点，G(Y1)、G(Y2)、G(Y3)及G(Y4) 为变量坐标；Y轴向各个闭合曲线的数学模型：
将Z1轴剖面形成的闭合曲线分为7个特征点，K(Z1)、K(Z2)及K(Z3)为变量 坐标；Z轴向各个闭合曲线的数学模型：
上述基于环流场异型风道除霾装置的制造方法，系将异型风道、过滤器、 离心风机、引风风道及溶液吸收装置固定设于工作仓内；离心风机设于引风风 道的入口端；所述引风风道的出口端伸入溶液吸收装置的过滤液体中；将扩风 口的出风口经轴流风机与异型风道的入风口相通；在异型风道的出风口处设置 过滤器；所述异型风道X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线采用高斯拟合构建数学 模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型，在经CFD计算后，通过FLUENT模拟 出相关测试参数；闭合曲线高斯拟合函数：
式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度。
本发明净化效果理想，风道进口风压大，边界阻力小，除霾效率高，适用 范围广，兼容性强。
本发明通过调整进风结构，使进来的风可以最大截面积和均匀分布通过过 滤。通过前面轴流风轮过来的风，在这个风道中可以达到调整进风结构和附面 层，进一步调整进风风向和均态分布，使其能以最小的阻力更大的面积与后面 的过滤器交接。对风道进口及其风向调整角进行处理，具有旋流的环流场进风 口，使本发明进口风压增大，同时减少了气体在风道种的附面层系数(即减小 边界阻力)。由于风进口处为增压减速区，流体质点受到与主流方向相反的压差 作用；靠近壁面的质点由于流体粘性作用，速度较之主流中心处要小得多；在 反向压差和粘性力的共同作用下，速度逐渐减小，并在处附面层分离，随后出现与主流方向相反的流动即产生涡旋。对于渐扩管，雷诺数或扩张角愈大，涡 旋区范围愈大，位置愈靠前；对于突扩，雷诺数的大小对涡旋区位置和大小的 影响不明显，起决定性作用的是形状。因此，优化渐扩段的方法主要是破坏或 延迟附面层的分离，并降低它的强度和大小。
不同风速下单元模块通风量、进排气PM2.5/PM10浓度表
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围 不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6及图2-7为本发明异型风 道X轴剖面图；
图3-1、图3-2、图3-3、图3-4及图3-5为本发明异型风道Y轴剖面图；
图4-1、图4-2、图4-3及图4-4为本发明异型风道Z轴剖面图；
图5为本发明异型风道立体图。
图中：1、扩风口；2、异型风道；3、过滤器；4、轴流风机；5、离心风机； 6、引风风道；7、溶液吸收装置；8、工作仓。
具体实施方式
如图1所示，基于环流场异型风道除霾装置包括工作仓8、扩风口1、异型 风道2、轴流风机4、过滤器3、离心风机5、引风风道6及溶液吸收装置7；所 述异型风道2、过滤器3、离心风机5、引风风道6及溶液吸收装置7固定设于 工作仓8内；所述离心风机5设于引风风道6的入口端；所述引风风道6的出 口端伸入溶液吸收装置7的过滤液体中；所述扩风口1的出风口经轴流风机4 与异型风道2的入风口相通；所述过滤器3固定设于异型风道2的出风口；所 述扩风口1采用喇叭口结构。
本发明所述异型风道2X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线高斯拟合函数：
式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度；
将X1轴剖面形成的闭合曲线分为10个特征点，F(X1)、F(X2)、F(X3)、F(X4)、 F(X5)及F(X6)为变量坐标；X轴向各个闭合曲线的数学模型：
将Y1轴剖面形成的闭合曲线分为8个特征点，G(Y1)、G(Y2)、G(Y3)及G(Y4) 为变量坐标；Y轴向各个闭合曲线的数学模型：
将Z1轴剖面形成的闭合曲线分为7个特征点，K(Z1)、K(Z2)及K(Z3)为变量 坐标；Z轴向各个闭合曲线的数学模型：
上述基于环流场异型风道除霾装置的制造方法，系将异型风道2、过滤器3、 离心风机5、引风风道6及溶液吸收装置7固定设于工作仓8内；离心风机5设 于引风风道6的入口端；所述引风风道6的出口端伸入溶液吸收装置7的过滤 液体中；将扩风口1的出风口经轴流风机4与异型风道2的入风口相通；在异 型风道2的出风口处设置过滤器3；所述异型风道2X,Y,Z三个方向的剖面闭合 曲线采用高斯拟合构建数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型，在经CFD 计算后，通过FLUENT模拟出相关测试参数；闭合曲线高斯拟合函数：
式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度。
进口流体风道增压设计及优化是本发明的核心，为增加装置的处理气量， 充分利用过滤有效面积以提高空气净化效果，同时考虑到装置的重心和安装的 协调性，对进风口和风道进行了优化设计。其主要改进是：在原有基础上进气 口前增加了喇叭口集气装置，目的是增大进气量和进气风压；前端采用流线型 弧面设计加大迎风面，减低风阻；在进气口增加一个轴流被动式叶轮，将进气 进行扩散，避免进气流直接冲击过滤器局部；进一步加大过滤器倾角至30度以 增大有效接触面积；进气口设置由圆变方的螺旋状扩口通道，使气流直达过滤 层，避免过滤腔室内形成湍流和涡流，减少压力损失。流体风道采用Solidworks 软件建立的几何模型，经导入GAMBIT软件进行网格划分，运用ANSYS FLUENT仿真软件对风道流场进行结构优化。
针对X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线我们可用高斯拟合原理为此风道构建 数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型。在通过CFD计算后，通过FLUENT 模拟出相关测试参数，以达到设计要求。
闭合曲线拟合公式为：
设有一组实验数据(xi,yi)(i＝1,2,3,...)可用高斯函数描述
式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度信 息，上式两边取自然对数，化为
令
lnyi＝zi，
并考虑全部试验数据，则(3)式以矩阵形式表示为
简记为
Z＝XB (5)
根据最小二乘原理，构成矩阵B的广义最小二乘解为
B＝(XTX)-1XTZ (6)
再根据(6)式求出待估参数ymax、xmax和S，得到(1)式高斯函数的特征 参数，求得此曲面的闭合曲线方程。
参见图2-1、图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6及图2-7所示,图2-1、 图2-2、图2-3、图2-4、图2-5、图2-6及图2-7为从X1到X6依次为流场风 道进风口到出风口的X轴向剖面图。
从正切向看进口的流场有旋流和湍流，而且流速偏低离散型大，逐渐通过 此风道流场后旋流和湍流明显减少，而且局部中心出风口的风压增加，更加有 利于后面各部分过滤器的除霾效果。
根据X轴各个剖面图，依次针对各个曲面的特性及分布特点，找出相应的 特定坐标点，所述X1截面图由于离进风口最近，基本形状还是接近于圆形，但 由于后面尾部的侧旋作用及偏离导致其截面为多曲线环闭而成的异性曲线，其 特征曲线分为10个有效的特征点，变量坐标如F(X1)，依次往下形变和侧旋而 形成了F(X2),F(X3)。
由于流场出口需要偏置后以方形端面，并以正向垂直输出增压气流，从而 流道上相关曲面变化而使得风向偏转从而达到理想输出要求，依照此要求后面 形成了F(X4),F(X5),F(X6)的变量坐标。在根据闭合曲面方程(1),求解得出X轴 向各个闭合曲线的数学模型。
X轴剖面图所描述的曲线为F(X)＝{xi|yi}(i＝0，1,2，……)
参见图3-1、图3-2、图3-3、图3-4及图3-5所示，图3-5为本发明Y轴 整体剖面图。图3-1、图3-2、图3-3及图3-4从Y1到Y4依次为流场风道从左 至右的截面图。
根据Y轴各个剖面图，依次针对各个曲面的特性及分布特点，找出相应的 特定坐标点，所述Y1剖面图为风道最左侧面截面图，向右依次为Y2,Y3,Y4,其 形状是由于前置的轴流风机带动的风流进入后形成旋流式前进，这样在通过特 性风道的设计可以调整风向和增大风压，从而可以减少湍流的形成。为此我们 将Y1轴剖面图形成的闭合曲线有8个有效特征点，变量坐标如G(Y1)，依次往 下形变和侧旋而形成了G(Y2),G(Y3)和G(Y4)。在根据闭合曲面方程(1),求解得 出Y轴向各个闭合曲线的数学模型。
参见图4-1、图4-2、图4-3及图4-4。图4-4为本发明Z轴整体剖面图。 图4-1、图4-2及图4-3为从Z1到Z3依次为流场风道从上至下的截面图。
根据Z轴各个剖面图，依次针对各个曲面的特性及分布特点，找出相应的 特定坐标点，所述Z1剖面图为风道最顶面截面图，向下依次为Z2,Z3。在K(Z1) 顶部剖面图上有7个有效特征点，但在(4,5,6)上个点出有明显的内凹处，其 作用可以在旋流时调整风向角，使其可以垂直吹入下一个过滤设备。随着向下 底面向前延伸，使来风能最大面积的与过滤设备相接触，其闭合曲面坐标为 K(Z2),K(Z3)。在根据闭合曲面方程(1),求解得出Z轴向各个闭合曲线的数学模 型。
本发明在使用时，外部空气经扩风口及轴流风机进入异型风道，经过滤器 过滤后，由引风风道送入溶液吸收装置的过滤液体中。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.基于环流场异型风道除霾装置，其特征在于，包括工作仓(8)、扩风口(1)、异型风道(2)、轴流风机(4)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)；所述异型风道(2)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)固定设于工作仓(8)内；所述离心风机(5)设于引风风道(6)的入口端；所述引风风道(6)的出口端伸入溶液吸收装置(7)的过滤液体中；所述扩风口(1)的出风口经轴流风机(4)与异型风道(2)的入风口相通；所述过滤器(3)固定设于异型风道(2)的出风口；所述扩风口(1)采用喇叭口结构。
2.根据权利要求1所述的基于环流场异型风道除霾装置，其特征在于：所述异型风道(2)的出风口与水平方向的夹角为30度。
3.根据权利要求2所述的基于环流场异型风道除霾装置，其特征在于：所述异型风道(2)X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线高斯拟合函数：
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式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度；
将X1轴剖面形成的闭合曲线分为10个特征点，F(X1)、F(X2)、F(X3)、F(X4)、F(X5)及F(X6)为变量坐标；X轴向各个闭合曲线的数学模型：
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4.一种如权利要求3所述基于环流场异型风道除霾装置的制造方法，其特征在于：将异型风道(2)、过滤器(3)、离心风机(5)、引风风道(6)及溶液吸收装置(7)固定设于工作仓(8)内；离心风机(5)设于引风风道(6)的入口端；所述引风风道(6)的出口端伸入溶液吸收装置(7)的过滤液体中；将扩风口(1)的出风口经轴流风机(4)与异型风道(2)的入风口相通；在异型风道(2)的出风口处设置过滤器(3)；所述异型风道(2)X,Y,Z三个方向的剖面闭合曲线采用高斯拟合构建数学模型，并通过SOLIDWORKS构建出3D模型，在通过CFD计算后，通过FLUENT模拟出相关测试参数；闭合曲线高斯拟合函数：
<mrow>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>y</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<mi>exp</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msup>
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<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>S</mi>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中待估参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰值、峰值位置和半宽度。
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2017
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