CN107676563B - 基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件，包括主管和支管，所述支管设置在主管一侧并与主管连通，在分流处设置有主管另一侧的弧面，或者同时建立分流处主管另一侧的弧面以及支管的弧面，所述弧面变形结构呈凸出状。本发明的降三通构件，降阻效果优异，将具有优化凸出高度及归一化凸出高度下的管道三通与传统五种三通进行对比，通过突出高度减阻后的三通，其阻力值均明显小于传统五种三通。这充分体现了本凸出结构的减阻效果。

Description

基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件

技术领域

本发明属于管道局部构件技术领域，涉及通风空调管道局部构件，具体涉及通风空调管道基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件。

背景技术

通风空调管道的阻力问题是建筑环境与能源应用领域的重要问题。管道阻力值的大小直接关系着风机的输送能耗，乃至建筑能耗。为了克服三通、弯头等管道局部构件的局部阻力，将空气输送至各个房间，所消耗的能源约占全球能耗的1％，约为127mtoe。

针对以三通为代表的通风空调管道局部构件方面的研究兴盛于上世纪70-80年代，研究集中在不同局部构件的不同形式以及所对应工况下的阻力值。这使得现如今大多学者认为局部构件阻力问题已经进行了充分研究。从而使得学者们对通风空调管道局部构件方面的研究兴趣，由传统的空气介质，室内建筑环境使用，转变为复杂多相流介质，锅炉，换热器等专业领域使用。由于研究关注点的转换，使得以三通为代表的通风空调管道局部构件在空气介质、建筑领域应用时，其形体已经半个世纪以来都没有变化。于此同时，前人的研究也多是针对新流体、不同领域内局部构件进行局部阻力系数测量，文献检索基本没有发现针对性的减阻研究。

分流三通虽然是一个非常小的通风空调管道局部构件，但是它在通风空调领域不可或缺，是重要的空气分流输配装置。与此同时，由于三通在建筑物中的数量众多，导致体量巨大，所以因其产生的局部阻力所引起的能耗问题同样巨大，值得进行关注但是目前没有针对三通管件的降阻研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件，能有效降低三通管件的阻力及带来的能耗问题。

为达到上述目的，本发明实现过程如下：

一种基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件，所述三通构件包括主管和支管，所述支管设置在主管一侧并与主管连通，所述三通构件还包括在分流处建立的主管另一侧的弧面，或者同时建立的分流处主管另一侧的弧面以及支管的弧面，所述弧面呈凸起状。

实际使用中，弧面的无因次凸起高度h＝H/D，H为绝对凸起高度，代表弧面的最高点距离同侧主管或支管水平位置的高度，D为主管或者支管管径，三通管件的宽高比在(1～5):1，主管的h的范围为0.03～0.28，支管的h的范围为0.09～0.38。

本发明的三通构件尤其适用于三通管件流量比在(1～5)：(1～3)时的情况。

在工程应用中，本发明给出了具体的主管弧面的凸出高度，三通构件的宽高比为5:1和4:1时，主管的h均为0.09，三通构件的宽高比为2:1时，主管的h为0.19，三通构件的宽高比为3:1和1:1时，主管的h均为0.13。

本发明给出了具体的支管弧面的凸出高度，三通构件的宽高比为5:1和3:1时，支管的h均为0.25，三通构件的宽高比为4:1和1:1时，支管的h均为0.28，三通构件的宽高比为2:1时，支管的h均为0.19。

本发明的有益效果：

本发明通过观察植物的分支结构，从仿生学角度提出一种凸出结构减阻方法，并将其用于三通中，得到具有弧面变形结构的三通构件。

本发明基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件，降阻效果优异，将具有优化凸出高度及归一化凸出高度下的管道三通与传统五种三通进行对比，通过突出高度减阻后的三通，其阻力值均明显小于传统五种三通。这充分体现了本凸出结构的减阻效果。与传统三通T0相比较，凸出结构对在三通在两个分流方向的减阻率约为36％及21％。归一化凸出高度下的两个方向上的减阻率约为24％及14％。在部分高流量比，低宽高比工况下，甚至将阻力变为负值，也即减阻率超过100％，阻力反而变成了动力。

本发明通过对具有凸出结构三通管件的能量耗散场分析可知，管道内的能量耗散率显著降低，能量耗散率作用强度更小，且整个能量耗散率区域更小。证明凸出结构能够有效的削弱流体在三通内两个流向流动时的能量耗散，从而减少流体阻力。

本发明的基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件，随着制造业的发展，必将得到广泛应用。

附图说明

图1为植物分支中的凸起结构。

图2为本发明三通构件的典型应用实例及水力计算示意图。

图3为本发明三通构件阻力测试全尺寸试验台。

图4为本发明三通构件流向及流量计算示意图。

图5为不同流量比、宽高比下本发明三通构件与传统三通阻力对比：(a)为流动方向1-4上的阻力，(b)为流动方向1-6上的阻力。

图6为不同宽高比下的传统三通构件与本发明三通的阻力对比：(a)为流动方向1-4上的阻力，(b)为流动方向1-6上的阻力。

图7为采用本发明凸出结构的三通构件内的能量耗散场。

图8为本发明凸出结构减阻效果的实验验证：(a)为流动方向1-4上的阻力，(b)为流动方向1-6上的阻力。

具体实施方式

目前为止一共提出了5种通风空调管道三通。包括支管弧面弯曲式三通，支管双向倒角三通，支管无倒角三通，支管倾斜式三通，支管45°倒角三通。而在之后的50年间，并没有发现针对这5种三通形式的结构改进，及低阻力结构形式设计。近年来，针对三通的研究多是对这上述5种三通在各类介质下的阻力系数进行了测量。因此，我们现在使用的，以三通为代表的局部构件还具有较大的结构修改空间及减阻降耗空间。

在自然界中，天然存在一种高效的管道系统，那就是植物。植物通过“蒸腾作用”将从地面吸取的水分传输到叶片中，然后蒸发至大气。在这一系统中，叶片相当于“用户”，根茎相当于“管道系统”，而水分蒸发所产生的抽力则相当于动力。这套管道系统无疑是高效，低阻力的，因为上亿年的自然选择，已经将具有“低效，高阻力”的植物淘汰了。因此，发明人尝试着从植物的形态结构中找寻低阻力管道系统的结构形式。经过观察部分植物可以发现，见图1。一些庭院内的常见植物在分支结构中，经常会发现分枝部位周围具有一圈凸起结构。这种凸起结构虽然仅在部分植物中存在，但是这并不妨碍将这种结构尝试应用于通风空调管道系统中，并试验这种结构的有效性。在早期的工程实践中，缺乏精密且廉价的局部构件制造设备及工艺，使得局部构件在设计制造过程中难以采用优化的弧面形式及精确的结构构造。但是现如今随着制造业的发展，各种大型数控制造创新，这方面已经不成问题了。既然条件满足，我们不禁要问，为什么三通的弧面是圆形或者直线的，而不是某种优化的曲线？采用其他形式弧面结构，是否更为节能？

当结合自然界植物分流时凸起表面的做法，并将其运用到管道中，可以发现，在管道中，凸起结构会扩大管道的截面面积，降低管道内流体的绝对速度，从而降低速度梯度值，最终降低管道中的耗散项的值。但是，进一步研究发现，凸起结构相当于扩大了管道的横截面积，这一结构形式给了流体更多的流动空间，这又会引入新的流体变形及速度梯度，从而导致流体阻力增加。

因此，凸起结构可能会引起两方面的阻力变化：

①由于凸起结构削弱绝对速度，引起的速度梯度降低，导致能量耗散降低，阻力降低。

②由于凸起结构本身引起的流体变形，导致的能量耗散增加，阻力增加。

两种作用是相对的，所以需要找到一个合适的凸起变形程度来平衡这两种力量，从而达到阻力及能耗最小。这一寻找过程需要进行大量的模拟实验，建立庞大的全尺寸实验体系，才能最终得到指导工程实践的有效数据。

三通作为流体分流局部构件，实际上具有两个方向上的阻力。以图2中的三通1-2/1-9为例：其阻力分别为流体从断面1流向断面2的阻力ΔP_1-2，以及流体从断面1流向断面9的阻力ΔP_1-9。以图2中的结构为例，系统的总阻力是根据最不利环路确定，也即根据阻力最大的那个环路确定。如果管段1-2-3-4-5-6-7-8为最不利环路，则整支管路的阻力为：

ΔP_t＝ΔP_1-2+ΔP_2-3+ΔP_3-4+ΔP_4-5+ΔP_5-6+ΔP_7-8

如果管段1-9-10-11-12-13为最不利环路，则整支管路的阻力为：

ΔP_t＝ΔP_1-9+ΔP_g-10+ΔP_10-11+ΔP_11-12+ΔP_12-13

可见，如果需要对三通1-2进行减阻，则并不需要同时对三通两路的阻力进行减阻。只需要对位于最不利环路的内的流动阻力进行减阻即可。也即，当1-2-3-4-5-6-7-8为最不利环路，则只需要降低ΔP_1-2即可达到减阻效果。而在降低ΔP_1-2的同时，并不需要考虑ΔP_1-9的变化。另外，当1-2-3-4-5-6-7-8为最不利环路，即使ΔP_1-9比传统三通大，也不影响减阻效果，因为ΔP_1-9并不参与最不利环路的阻力计算。在实际工程中，最不利环路是在设计过程中就一定确定了的。所以只需要研发出具有最小ΔP_1-2或者最小ΔP_1-9三通，在实际工程中，按照那一条支路处于最不利环路来选取三通即可。

由于需要找到一个合适的“凸起程度”以达到阻力最小，定义这一凸起变形程为“无因次凸起高度h”，其表述形式为h＝H/D，式中，h为无因次凸起高度，H为绝对凸起高度，D为管道管径，见图2，需要尝试多种“无因次凸起高度”，但是为了保证数值模拟计算结果的正确性，需要在进行CFD数值模拟计算前对数值模拟的湍流模型选择，边界层设定，网格划分及独立性进行验证，以保证CFD数值模拟计算方法的正确性。最后，还需要对所找到的“凸起高度”在典型工况下进行试验验证，以保证凸起结构所带来的减阻效果的有效性。

在本发明中，制作了超过30m长的全尺寸试验台进行通风空调管道局部构件的全尺寸实验，见图3。实验台有可调速风机，静压箱，测试用三通，风管，测试孔组成。室外空气经过风机提供动力后送入静压箱均流，以期保证流体能够更快的进入充分发展流。管道系统中的总流量通过调速风速确定，而每个分支中的流量则通过分支末端的风阀进行调节。实验管道的主管管径为典型的通风空调管道管径，为320mm×250mm，支管则为250mm×250mm。一共选取了6个测试断面，其中测试断面1-4内的测试点布置位置相同，测试断面5-6的测试点布置位置相同，每个断面具有9个测试点，对每个测试点在测试时都连续测量5次，去除最大值、最小值，平均后作为本断面的测试值。为了保证局部构件阻力的测量准确，需要保证进入局部构件内的流体为充分发展流。同时，局部构件的阻力作用并不局限于局部构件本身，其所引起的涡旋，还作用于局部构件相连接的上、下游管段。因此，本发明在测试三通阻力时选取的测试点距离三通距离为8m，也即25倍管径的距离(25D)，以保证进入三通内的空气为充分发展流，同时保证三通对下游管道的阻力作用也被计入测量中。

经过一系列研究，引入局部阻力计算公式：

式中，ζ为局部阻力系数，ρ为空气密度，取1.29kg/m³，v为管段1-2处的流速。

将流动阻力表述为局部阻力系数形式：

流动方向1-4：

流动方向1-6：

以下为效果验证：

1、不同流速、流量比下的弧面变形结构(凸出结构)减阻效果

三通宽高比是另一项影响三通局部构件阻力的影响因素。在建筑中，由于建筑层高及管道输送空气体量的限制，管道具有多种宽高比。但是多数规范规定管道的宽高比应该在一定范围内，如推荐长边与短边比≤4。三通的流量比指的是在入口流量保持不变的条件下，改变Q₁及Q₂的流量。这两个出口的流量在实际工程中是通过与其相接的阀门完成的，见图4，针对管道中常见的宽高比(5:1,4:1,3:1,2:1,1:1)，以及常见的流量比(5:1,4:1,3:1,2:1,1:1,1:2,1:3)下的管道阻力进行了研究。最终的优化结果表明，当凸出高度如表1所示的最优化凸出高度时，三通具有最低的阻力系数，其阻力系数值见图5。这证明了凸出结构确实能够进行减阻。

同时，在上述研究的基础上，发明人发现，由于湍流本身的复杂性及三通内本身的涡旋及二次流作用，虽然对于每组流速、宽高比，总能找到阻力更低的凸出结构，但是这一凸出结构下的凸出高度随机性较大。其高度值规律性较差。在实际工程中，不可能对每一个宽高比，在每一种流量比下去都去更换一组低阻力凸出高度的三通。因此，为了满足工程需要，这里采用了一种折中办法。由于宽高比在进行设计时是必然确定的，但是流量比可能由于季节的变化需要通过阀门进行调节。因此，这里计算出不同流速，同一宽高比，同一凸出高度下的阻力系数的平均值。对这一平均值由小到大排列，并得出平均阻力系数最小时的宽高比。这时，我们就获得了对于每一种宽高比而言，不同流速平均阻力系数最小的凸出高度。这一凸出高度对于任意一种宽高比而言为定值，命名它为归一化凸出高度。归一化凸出高度下的阻力系数当然大于最优化凸出高度下的阻力系数，但是其好处是方便工程应用。

从图5可以得出，不论对于管段1-4的阻力，还是对于管段1-6的阻力，最优化凸出高度下的三通阻力都明显小于传统三通。归一化的凸出高度下的三通阻力在阻力值相对较小时在少数流量比及管道宽高比处大于传统三通。这表明，归一化凸出高度下的三通，在大局部阻力系数工况下的更为适用。平均不同流速，不同宽高比下的管道减阻率数据可得，与传统三通T0相比较，凸出结构对在管段1-4处的减阻率约为36％，在管段1-6处的减阻率约为21％。归一化凸出高度下的两个方向上的减阻率约为24％及14％。在部分高流量比，低宽高比工况下，甚至将管段1-4处的阻力变为负值，也即减阻率超过100％，阻力反而变成了动力。对比管道1-4及管段1-6两个流向上的归一化凸出高度可以发现，管道1-4流向的归一化凸出高度明显大于管段1-6两个流向上的归一化凸出高度，这是由于流体在管道1-4流向上的流体形变远大于在管道1-4上的，因此，需要更大的凸出高度以消减绝对速度值，从而削弱形变引起的速度梯度。

表1不同流量比，管道宽高比下的最优化凸出高度及归一化凸出高度

2、本发明低阻力三通与传统三通阻力特性对比

为了证明本凸出表面结构的减阻性能，本研究将具有优化凸出高度及归一化凸出高度下的管道三通与传统三通的五种三通进行了对比，见图6，图中T0、T1、T2、T3、T4分别为支管弧面弯曲式三通，支管双向倒角三通，支管无倒角三通，支管倾斜式三通，支管45°倒角三通。研究发现，通过凸出高度减阻后的三通，其阻力值均明显小于传统五种三通。这充分体现了本凸出表面减阻方法优异的减阻效果。

3、能量耗散场分析

此处研究了H/D＝0.25，H/D＝0.09，H/D＝0，三种凸出高度下三通内的能量耗散场，见图7。H/D＝0.25这一凸出高度下，流向1-6方向的流动阻力最小，H/D＝0.09这一凸出高度下，流向1-4方向的流动阻力最小。H/D＝0表示无凸出结构的传统三通。研究发现，H/D＝0.25工况与H/D＝0工况相比，能够观察到管道支管下游的能量耗散率显著降低，能量耗散率作用强度更小(图中方框圈起来的区域更少)，且整个能量耗散率区域更小。H/D＝0.09工况与H/D＝0工况相比，三通壁面Arc1处的能量耗散区域面积更小，作用长度更短。在这两种对比中可以发现，凸出结构能够有效的削弱流体在三通内两个流向流动时的能量耗散，从而减少流体阻力。

4、凸出结构减阻效果实验验证

为了验证凸出结构的减阻效果，这里针对典型工况下(流量比3:1，宽高比1:1)下，具有凸出高度H/D＝0.25，H/D＝0.09，H/D＝0的管道三通进行来了对比。如图8所示，图8a为凸出高度H/D＝0.09与H/D＝0时的两个两个三通在不同流速下的阻力对比。验证了了凸出结构减阻对于流向1-4的减阻效果。图8b为凸出高度H/D＝0.25与H/D＝0时的两个两个三通在不同流速下的阻力对比。验证了了凸出结构减阻对于流向1-6的减阻效果。研究发现，模拟值与实验值温和较好，且证明了凸出结构的减阻效果。

Claims (3)

1.一种基于仿生学植物分支结构的低阻力三通构件，包括主管和支管，所述支管设置在主管一侧并与主管连通，支管设置的位置与主管形成分流，其特征在于，所述三通构件还包括在分流处主管另一侧设置的弧面，或者同时设置有分流处主管另一侧的弧面以及支管的弧面，所述弧面呈凸起状；

所述的弧面的无因次凸起高度为h，h＝H/D，H为绝对凸起高度，代表弧面的最高点距离同侧主管或支管无凸起的高度，D为主管或者支管管径，三通构件的宽高比在(1～5):1时，主管的h的范围为0.03～0.28，支管的h的范围为0.09～0.38。

2.如权利要求1所述三通构件，其特征在于，三通构件的宽高比为5:1和4:1时，主管的h均为0.09，三通构件的宽高比为2:1时，主管的h为0.19，三通构件的宽高比为3:1和1:1时，主管的h均为0.13。

3.如权利要求1所述三通构件，其特征在于，三通构件的宽高比为5:1和3:1时，支管的h均为0.25，三通构件的宽高比为4:1和1:1时，支管的h均为0.28，三通构件的宽高比为2:1时，支管的h均为0.19。