CN107449091A - 一种合流三通风管的降阻优化设计方法 - Google Patents

一种合流三通风管的降阻优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合流三通风管的降阻优化设计方法。该方法主要是，在合流三通风管的汇流几何区域内安装一个导流板；从气流流动方向看，导流板的前端及两侧接触边与风管内壁焊接，导流板由前部分的导流弧形弯板和后部分的导流直板组成；导流板的具体形状由局部构件具体尺寸决定，即由两支管的直径D1、D2，渐扩管的长度L，支管间的夹角β和汇流管的直径D3之间的几何关系，采用计算流体动力学方法确定导流弧形弯板的弧长L1，导流直板的长度L2，导流直板距离汇流管上象限点的垂直距离d1和距离汇流管下象限点的垂直距离d2。本发明相比较于现有的合流三通风管，节能降阻效果明显，进一步降低通风除尘系统的运行成本。

Description

一种合流三通风管的降阻优化设计方法
技术领域
本发明属于工业通风技术领域，具体涉及一种合流三通风管的降阻优化设计方法。
背景技术
通风除尘系统管网总阻力包括局部阻力和摩擦阻力，根据管网阻力计算数据以及结合工程实践应用发现，局部通风总阻力占管网总阻力的比重在40％～70％之间，分支三通较多的通风系统局部阻力通常大于50％，加上摩擦阻力所占的比重则更大；此外，排风罩和弯头的局部阻力比合流三通局部构建的局部阻力要小，尤其是两支流能量差异较大的情况，这一现象更为明显。因此，合流三通风管阻力的优化对降低管网总阻力和除尘系统运行成本显得十分重要。
合流三通的结构由两个支管、渐扩管和汇流管组成。对合流三通内部流态进行分析可以发现，阻力是在两支流能量差异的相互影响达到新平衡的过程中产生，影响过程发生的区域可以叫做阻力发生区；因此，减少甚至隔离该过程中两支流由于能量差异产生的相互影响以及消除隔离后汇流过程由于速度差异造成的能量损失，即减小阻力发生区及阻力发生区中的阻力，对通风除尘系统合流三通风管阻力的优化提供了思路，同时也是衡量优化效果的重要因素。如果能够根据通风除尘系统管网设计原则及特点对合流三通阻力进行优化，具有可观的降阻节能空间。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种合流三通风管的降阻优化设计方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该合流三通风管的降阻优化设计方法，包括合流三通风管，合流三通风管包括支管一、支管二、渐扩管、汇流管，支管一和支管二通过渐扩管连通汇流管；其特点是：在合流三通风管的汇流几何区域内安装一个导流板；从气流流动方向看，导流板的前端及两侧接触边与风管内壁焊接，导流板由前部分的导流弧形弯板和后部分的导流直板组成；其中，导流弧形弯板中心轴线的前端点与支管二短边的后端点连接，且导流弧形弯板中心轴线在该点处与支管二的短边相切，导流弧形弯板、导流直板与汇流管的初始截面垂直，在该截面上导流弧形弯板与导流直板相接；导流弧形弯板将两支管的含尘气流分隔，两束气流在导流弧形弯板的分隔下流经渐扩管，在导流直板的作用下合流至汇流管。
进一步，所述导流板的具体形状由以下方法确定：
(1)确定导流板的具体形状由9个参数决定，分别是：支管一的直径D1，支管二的直径D2，渐扩管的长度L，汇流管的直径D3，两支管之间的夹角β，导流弧形弯板的弧长L1，导流直板的长度L2，导流直板到汇流管上象限点的垂直距离d1，导流直板到汇流管下象限点的垂直距离d2；
(2)由局部构件具体尺寸即两支管的直径D1、D2，渐扩管的长度L，支管间的夹角β和汇流管的直径D3之间的几何关系，采用计算流体动力学方法确定导流弧形弯板的弧长L1，导流直板的长度L2，导流直板距离汇流管上象限点的垂直距离d1和距离汇流管下象限点的垂直距离d2。
具体的，步骤(2)所述采用计算流体动力学方法，确定d1、d2、L1和L2四个参数，其具体计算方法如下：
(a)确定d1、d2的最优组合值：导流直板距离汇流管上、下象限点的垂直距离d1、d2等于汇流管的直径D3，分别按照流量比划分汇流管直径的方式和汇流管中两支流流体速度相等前提划分汇流管断面面积的方式确定两组d1、d2值，在两组值之间设计多个模拟模型值，对每个模型进行数值模拟计算，选择压力损失小的模型，从而确定直导流板距离汇流管上、下象限点的垂直距离d1、d2的最优组合值；
(b)确定导流弧形弯板的弧长L1及导流直板长度L2的最优值：在步骤(a)的基础上结合渐扩管的长度L、汇流管的直径D3和两支管之间的夹角β建立几何模型可以求出导流弧形弯板的弧长L1；以100mm为模拟模型初始值及合理递增梯度建立模型进行数值模拟，选取局部阻力值最小的模型值，即导流直板长度L2的最优值；
根据合流三通风管的实际结构尺寸及风量风压参数，设计多组d1、d2组合值、导流弧形弯板的弧长L1、导流直板的长度L2，采用计算流体动力学方法，对所有模型进行数值模拟计算，选择总压力损失最小的模型，从而确定最优组合值。
具体的，所述计算流体动力学方法的边界条件设置及要求为：入口采用速度入口，出口采用压力出口，出口处的压力为大气压，其他边界设置为固体壁面，壁面附近采用非平衡壁面函数。
本发明由合流三通风管与导流板组合而成，并通过本发明的降阻优化方法确定导流板的具体尺寸，从而达到减小合流三通风管降阻优化的目的，相比较于现有的合流三通风管，节能降阻效果明显，进一步降低通风除尘系统的运行成本。
附图说明
图1是现有合流三通风管的结构示意图。
图2是本发明方法设计的合流三通风管及其导流板的立体结构剖视图。
图3是本发明方法设计的合流三通风管及其导流板的原理纵剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，是现有合流三通风管的结构示意图，从图1中可见，合流三通风管包括支管一1、支管二2、渐扩管4、汇流管3，支管一1和支管二2通过渐扩管4连通汇流管3。参见图2，是本发明方法设计的合流三通风管及其导流板的立体结构剖视图，从图2中可见，在合流三通风管的汇流几何区域内安装了一个导流板5；从气流流动方向看，导流板5的前端及两侧接触边与风管内壁焊接，导流板5由前部分的导流弧形弯板51和后部分的导流直板52焊接组成；其中，导流弧形弯板51的中心轴线53的前端点与支管二2短边的后端点连接，且导流弧形弯板51的中心轴线53在该点处与支管二2的短边21相切，导流弧形弯板51、导流直板52与汇流管3的初始截面垂直，在该截面上导流弧形弯板51与导流直板52相接；导流弧形弯板51将两支管的含尘气流分隔，两束气流在导流弧形弯板51的分隔下流经渐扩管4，在导流直板52的作用下合流至汇流管3。
参见图3，是本发明方法设计的合流三通风管及其导流板的原理纵剖视图，导流板5安装在合流三通风管内部，含尘气流通过支管一1，在导流弧形弯板51的作用下流经渐扩管4后通过导流直板52与支管二2在汇流管3中平稳合流；含尘气流通过支管二2，在导流弧形弯板51的作用下流经导流弯管通过导流直板52的与支管一1在汇流管3中合流。导流板5的具体形状由9个参数决定，分别是：支管一1的直径D1，支管二2的直径D2，渐扩管4的长度L，汇流管3的直径D3，两支管之间的夹角β，导流弧形弯板51的弧长L1，导流直板52的长度L2，导流直板52到汇流管3的上象限点的垂直距离d1，导流直板52到离汇流管3的下象限点的垂直距离d2。利用计算流体动力学方法，选取合流三通风管的三维模型，所有模型的边界条件均一致。导流弧形弯板51的弧长L1，导流直板52的长度L2，导流直板52到汇流管3的上象限点的垂直距离d1，导流直板52到离汇流管3的下象限点的垂直距离d2，四个参数的确定步骤如下：
(1)确定d1、d2最优组合值：导流板距离汇流管上、下象限点的距离d1、d2等于汇流管的直径D3，分别按照流量比划分汇流管直径的方式和汇流管中两支流流体速度相等前提划分汇流管断面面积的方式确定两组d1、d2值，在两组值之间设计多个模拟模型值，对每个模型进行数值模拟计算确定导流板距离汇流管上、下象限点的距离d1、d2的最优组合值；
(2)确定导流弧形弯板的弧长L1及导流直板长度L2的最优值：在步骤(1)的基础上结合渐扩管的长度L、汇流管的直径D3和两支管之间的夹角β建立几何模型可以求出导流弧形弯板的弧长L1；以100mm为模拟模型初始值及合理递增梯度建立模型进行数值模拟，选取局部阻力值最小的模型值，即导流直板长度L2的最优值；
下面是本发明方法试验应用的工程实例：
以某通风除尘系统中一个合流三通风管局部构件为例，分别对比普通合流三通管与设置导流板的合流三通管的流场分布和压力损失。支管一的处理风量为2592m3/h，管径为D1＝260mm，风速为V1＝13m/s，模拟长度为200mm；支管二的处理风量为1296m3/h，管径为D2＝160mm，风速为V2＝16m/s，模拟长度为200mm；汇流管的管径为D3＝320mm，计算长度为500mm；两支管之间的夹角为β＝30°，渐扩管的长度为L＝400mm。边界条件设置为：入口采用速度入口，数值与设计风速一致，出口采用压力出口，出口压力为0Pa，其他边界设置为固体壁面，壁面粗糙度为2.5×10-4m。
流体动力学的计算结果表明：增加导流板后的局部阻力发生区明显减小，优化后的合流三通管总阻力为122Pa；未增加导流板的普通合流三通管的总阻力为182Pa。与普通合流三通管相比，降低阻力29.1％。

Claims (4)

1.一种合流三通风管的降阻优化设计方法，包括合流三通风管，合流三通风管包括支管一、支管二、渐扩管、汇流管，支管一和支管二通过渐扩管连通汇流管；其特征在于：在合流三通风管的汇流几何区域内安装一个导流板；从气流流动方向看，导流板的前端及两侧接触边与风管内壁焊接，导流板由前部分的导流弧形弯板和后部分的导流直板组成；其中，导流弧形弯板中心轴线的前端点与支管二短边的后端点连接，且导流弧形弯板中心轴线在该点处与支管二的短边相切，导流弧形弯板、导流直板与汇流管的初始截面垂直，在该截面上导流弧形弯板与导流直板相接；导流弧形弯板将两支管的含尘气流分隔，两束气流在导流弧形弯板的分隔下流经渐扩管，在导流直板的作用下合流至汇流管。
2.根据权利要求1所述的合流三通风管的降阻优化设计方法，其特征在于：所述导流板的具体形状由以下方法确定：
(1)确定导流板的具体形状由9个参数决定，分别是：支管一的直径D1，支管二的直径D2，渐扩管的长度L，汇流管的直径D3，两支管之间的夹角β，导流弧形弯板的弧长L1，导流直板的长度L2，导流直板到汇流管上象限点的垂直距离d1，导流直板到汇流管下象限点的垂直距离d2；
(2)由局部构件具体尺寸即两支管的直径D1、D2，渐扩管的长度L，支管间的夹角β和汇流管的直径D3之间的几何关系，采用计算流体动力学方法确定导流弧形弯板的弧长L1，导流直板的长度L2，导流直板距离汇流管上象限点的垂直距离d1和距离汇流管下象限点的垂直距离d2。
3.根据权利要求2所述的合流三通风管的降阻优化设计方法，其特征在于：步骤(2)所述采用计算流体动力学方法，确定d1、d2、L1和L2四个参数，其具体计算方法如下：
(a)确定d1、d2的最优组合值：导流直板距离汇流管上、下象限点的垂直距离d1、d2等于汇流管的直径D3，分别按照流量比划分汇流管直径的方式和汇流管中两支流流体速度相等前提划分汇流管断面面积的方式确定两组d1、d2值，在两组值之间设计多个模拟模型值，对每个模型进行数值模拟计算，选择压力损失小的模型，从而确定直导流板距离汇流管上、下象限点的垂直距离d1、d2的最优组合值；
(b)确定导流弧形弯板的弧长L1及导流直板长度L2的最优值：在步骤(a)的基础上结合渐扩管的长度L、汇流管的直径D3和两支管之间的夹角β建立几何模型可以求出导流弧形弯板的弧长L1；以100mm为模拟模型初始值及合理递增梯度建立模型进行数值模拟，选取局部阻力值最小的模型值，即导流直板长度L2的最优值；
根据合流三通风管的实际结构尺寸及风量风压参数，设计多组d1、d2组合值、导流弧形弯板的弧长L1、导流直板的长度L2，采用计算流体动力学方法，对所有模型进行数值模拟计算，选择总压力损失最小的模型，从而确定最优组合值。
4.根据权利要求3所述的合流三通风管的降阻优化设计方法，其特征在于：所述计算流体动力学方法的边界条件设置及要求为：入口采用速度入口，出口采用压力出口，出口处的压力为大气压，其他边界设置为固体壁面，壁面附近采用非平衡壁面函数。
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