CN107725945B - 基于耗散率控制的低阻力三通构件 - Google Patents

基于耗散率控制的低阻力三通构件 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于耗散率控制的低阻力三通构件，具体为T0型三通，所述T0型三通的四个面均呈弧面。本发明可降阻的三通管件，降阻效果优异，对传统T0型三通的四个面均优化了弧面，结果发现最大可降阻42.59％，效果显著，最终获得了新型低阻力三通的优化结构形式。当管道流量比及宽高比变化时，本发明的优化三通结构，在5类三通中，始终保持阻力最小，与常见的传统三通相比，其减阻率在10％至110％，减阻效果明显。

Description

基于耗散率控制的低阻力三通构件
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耗散率控制的低阻力三通构件。
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耗散率控制的低阻力三通构件，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：
一种基于耗散率控制的低阻力三通构件，其每个面均呈弧面。
上述基于耗散率控制的低阻力三通构件具体可为T0型三通，其四个面均呈弧面。
所述T0型三通包括主管和支管，所述支管设置在主管一侧并与主管连通，主管直径为D1，支管直径为D2，所述T0型三通包括分流处主管另一侧的弧面、主管进口一侧与支管处的弧面，主管出口处与支管同侧的弧面以及支管出口处靠近主管出口的弧面，所述分流处主管另一侧的弧面的曲率半径为20.05D1，所述主管进口一侧与支管处的弧面的曲率半径为0.2D2，所述主管出口处与支管同侧的弧面的曲率半径为8.40D2，所述支管出口处靠近主管出口的弧面的曲率半径为3.47D2。
更具体的，支管同侧的主管出口处的侧壁切线与水平位置的夹角为2°，靠近主管进口的支管出口处的侧壁切线与水平位置的夹角为80°。主管进口一侧的主管壁与支管壁夹角的倒角为0.16D1。
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，得到具有多个面的弧面变形结构的降阻三通管件。
本发明可降阻的三通管件，降阻效果优异，对传统T0型三通的四个面均设置了弧面变形结果，结果发现最大可降阻42.59％，效果显著，最终获得了新型低阻力三通的优化结构形式。
当管道流量比及宽高比变化时，本发明的优化三通结构，在5类三通中，始终保持阻力最小，与常见的传统三通相比，其减阻率在10％至110％，减阻效果明显。
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，采用新型三通一方面降低了能量耗散强度，另一方面将能量耗散区域的位置远离主流区，使得流体形变不进入流体主流区，从而降低流体阻力。
本发明的三通管件，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为本发明全尺寸测试试验台。
图3为本发明的三通四个面的弧面优化结果。
图4为本发明采用不同弧面曲线时的减阻率。
图5为不同流量比对减阻率的影响。
图6为不同管道宽高比对减阻率的影响。
图7为三通内的能量耗散率场：(a)纵剖面；(b)横剖面。
图8为三通采用不同流量比时的阻力系数。
图9(a)为传统T0型三通，
图9(b)为传统T1型三通，
图9(c)为传统T2型三通，
图9(d)为传统T3型三通，
图9(e)为传统T4型三通，
图9(f)为本发明的TN型三通。
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。
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2。实验系统包含离心风机、软接头、静压箱、紊流板、矩形风管、圆弧形标准三通、变径、2个风阀。离心式风机与矩形风管之间由软连接相连，风管与风管之间使用法兰连接并进行密封处理，在距离风机4米处安装静压箱及均流孔板，对从风机送出不稳定的气流进行整流使其均匀，从而保证通过三通上游直管段的气流为充分发展流，确保实验的精确性。本实验选取三通上游管段三通入口25D位置，也即距离三通上游断面8m处作为主管段的压力测试断面，测试压力值为Px1，在三通下游管段局三通支管段出口25D及也即三通下游8米处作为支管段的压力测试断面，其测试压力值为Px2。另一支支管的测试断面则在下游4.5m也即14D处。测试时选取距离三通较远的测试断面进行测试，主要考虑三通本身阻力的作用并不局限于三通本身，还扩展于三通的上下游，并有10D以上作用范围。当然，虽然测试时测点距离三通较远，最终获得的三通数据实际上是减去直管段沿程阻力的数值。以三通局部阻力系数ζ12为例：首先，测试带有三通时的断面1,2的压力，记为Px1及Px2。其次，测试不带有三通，但是管段14及管段52送风速度与带有三通时的送风速度相同时的压力。断面1,4,5,2的压力分别为Pz1,Pz4,Pz5,Pz2。这时，三通的局部阻力系数ζ12可计算为[6,35]：
Figure GDA0002229595270000061
式中(Pz1-Pz4)及(Pz5-Pz2)分别为管段14及管段52的沿程阻力。ρ为空气密度，V14为管段14的流速。在所有测量断面9个测点中的每个测点都测量5个数据，求出每个测点的第一次平均值，再平均测量断面的9个测点数据，获得第二次平均值，该平均值则为该断面的测量值。同时计算及标准误差。实验采用TSI热线风速仪测试风速，全压则采用E0-100Pa智能数字微压计进行测试，测量时，将TSI热线风速仪探头及毕托管水平放置在支架上，通过水准仪及步进电机控制测试探头水平程度及探入深度。实验过程中，通过风机调速器调节管道系统内达到指定工况的风速及风量，待风机运行稳定后，用TSI热线风速仪进行工况测试并记录，通过TSI热线风速仪测量的风速来绘制管内速度场图。同时，通过微压计来测量各测点的压力分布，从而绘制出压力图，计算出局部构件的压力损失。测试仪器精度见表1。
表1测试仪器测量范围及精度
测量项目 测量范围 测量精度 分辨率
风速(TSI) 0～50m/s ±3％ 0.01m/s
全压(E0-100P) 0～100Pa ±3％ 0.1Pa
以下为效果验证：
1、T0三通四个面的优化及优化结果
在一个分流三通中，一共有一个进口(O1)，两个出口(O2,O3)，以及四个弧面(Arc1,Arc2,Arc3,Arc4)，即分流处主管另一侧的弧面变形结构Arc1、主管进口一侧与支管处的弧面变形结构Arc2，主管出口处与支管同侧的弧面变形结构Arc3以及支管出口处靠近主管出口的弧面变形结构Arc4，对应的曲率半径分别为R1、R2、R3以及R4，见图3。本发明对这四个弧面都进行了优化。因为三通的种类较多，三通内的空气流速大小、流量分配都会对三通的阻力大小造成影响。因此本发明从工程中最常用且普遍认为阻力较低的三通形式(T0)作为目标三通进行优化。优化时，假定三通宽高比为1，并选取三通内的最典型的风速，也即主管7m/s，支管3m/s。优化结束后对优化模型在不同宽高比及不同风速下的阻力特性进行模拟与实验验证。
本发明首先针对弧面1进行了优化，考虑了9种弧面形式A1～A9，分别获得了这9种形式下的阻力值，发现A4形式阻力最小。A3形式比传统直线凸出0.06D，这种凸出结构会导致三通内部横截面积增加，单位面积上的流速降低。流速绝对值的降低会降低流体变形的幅度，从而降低能量耗散，减少阻力，但是，与横截面增加同时进行的是三通本身结构的的改变，这一改变又会带来新的流体变形。所以两者博弈的结果是A4弧面条件下达到阻力最优。在A4弧面的基础上，尝试进行Arc 2的优化。研究发现，B7弧面结构形式的阻力最小。没有采用B1～B6结构形式的原因是，此类弧面结构形式所带了的减阻效果主要针对ζ13而不是ζ12。在B7的基础上，针对其与支管壁之间的倒角形式进行了优化，发现C3形式的阻力最小。对于Arc 3而言，对其减阻的第一步是弧面的倾斜角度优化也即E1～E9，研究发现倾斜角为2°时的阻力最小，在此基础上采用凹型或凸型结构，发现D3结构也即凸型结构阻力较小。最后，优化了Arc4曲面，获得了最终减阻率42.59％，优化过程见图4所示，结果见下表。
表2为传统5种三通(T0-T4)与本发明的TN三通弧面对比：
表2
No. θ1 θ2 R1 R2 R3 R4
T0 \ \ D<sub>2</sub> 2D<sub>2</sub> \ \
T1 \ \ D<sub>2</sub> D<sub>2</sub> \ \
T2 90° 90° \ \ \ \
T3 45° 135° \ \ \ \
T4 45° 90° \ \ \ \
TN 80° 2° 20.05D<sub>1</sub> 0.2D<sub>2</sub> 3.47D<sub>2</sub> 8.40D<sub>2</sub>
传统5种三通(T0-T4)与本发明的TN三通见图9。
2、不同流速、流量比下的弧面变形结构减阻效果
三通流量比是最为常见的影响三通局部阻力的影响参数之一。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。而在本发明模拟研究中则是通过设置速度出口实现的。在本发明中Q1与Q2的出口流量之比值范围为5:1到1:3。从图5可见，当流量比从5:1逐渐变为1:3，在5类三通中所提出的优化型三通TN始终保持阻力最小。与传统三通中最常见的，阻力最小的T0相比，其减阻率在流量比变化过程中为10％至60％。减阻率随着流量比的降低而变大。其原因是当流量比增大，三通分流这一结构形式阻力的影响逐渐降低，所以针对结构形式的优化作用同样降低。在小流量比条件下T0并不是阻力最低的三通形式，由于T3及T4的减阻率在在小流量比条件下为正，所以其阻力均小于T0。所以在小流量条件下即使不应用本新型三通TN，使用T3或T4结构也能获得减阻效果。在实际工程中，由于风管系统送风为了保证水力平衡要求，多采用树形结构，三通中O1至O2部分作为主管的情况相对较高，所以此类三通的流量比在大流量比条件下的情况相对较多。
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。因此这里选择研究的管道宽高比范围为4:1至1:4。可以发现在不同宽高比下，相比其他5种三通，优化三通TN具有最小的阻力也即最高的减阻率，减阻率范围为15％～110％。110％的减阻率意味着此时优化三通的阻力值为负值，也即局部阻力系数为负。在实际工程中由于建筑内的风口多为水平布置，所以大宽高比比小宽高比更为常见。而相比于最为常见的三通T0，在大宽高比下只有优化三通TN具有减阻效果。减阻率随着宽高比的降低而增加。造成此现象的原因是，当宽高比增加，影响三通的局部阻力的边界形式从三通平面结构变为三通立面结构。所以在大宽高比下各类三通的局部阻力系数相差较小。而在大宽高比下TN优化结构形式具有较大的减阻率，见图6。
3、三通内的能量耗散率场进行了分析：
为了进一步分析优化三通减阻机理，这里对传统三通T0以及新型三通TN在1:1宽高比，3:1流量比的典型工况下的横剖面及纵剖面进行了分析，见图7。
如前所述，影响三通内阻力的主要影响参数实际上是流体形变所带来的能量耗散率。所以这里主要针对三通内的能量耗散率场进行了分析。针对水平剖面的研究发现，在传统三通中的Arc1弧面处能够发现显著的能量耗散，其值在25m2/s3左右，而在新型三通TN中可以发现由于新型三通中Arc1弧面凸出，一方面降低了Arc1弧面能量耗散的强度，另一方面将能量耗散区域的位置提高，使其不进入流体主流区，从而降低流体阻力。通过改变Arc2弧面的结构形式，虽然提高了O2附近的流体的能量耗散，但是这部分能量耗散所引起的阻力并不影响ζ12，他是ζ13阻力的一部分。于此同时Arc2采用TN的优化结构形式使得剖面结构在主流区域内管道边壁的能量耗散强度降低，从而降低了ζ12。对于Arc3而言，具有一定倾斜角度的Arc3弧面使得其上的边界层变薄，能量耗散降低，并将边界层所带来的流体形变下移，使这部分形变远离主流区，从而达到减阻作用。
4、验证分析
为了验证新型三通的减阻效果，本发明不仅采用全尺寸实验分别测量了新型三通TN及常用传统三通T0的阻力，还对比了前人针对传统常用三通T0的研究。研究发现，随着流量比的增大，不论是模拟值，实验值还是前人研究，三者数据的吻合较好，趋势完全一致。另外，由于模拟条件与实验条件下的三通结构尺寸完全相同，所以吻合性最好，见图8。

Claims (3)

1.一种基于耗散率控制的低阻力三通构件，其特征在于，所述低阻力三通构件包括T0型三通，所述T0型三通的每个面均呈弧面；所述T0型三通包括主管和支管，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，主管直径为D1，支管直径为D2，所述T0型三通包括分流处主管另一侧的弧面、主管进口一侧与支管处连接的弧面，主管出口处与支管同侧连接的弧面以及支管出口处靠近主管出口的弧面，所述分流处主管另一侧的弧面的曲率半径为20.05D1，所述主管进口一侧与支管处连接的弧面的曲率半径为0.2D2，所述主管出口处与支管同侧连接的弧面的曲率半径为8.40D2，所述支管出口处靠近主管出口的弧面的曲率半径为3.47D2。
2.如权利要求1所述低阻力三通构件，其特征在于，支管同侧的主管出口处的侧壁切线与水平位置的夹角为2°，靠近主管进口的支管出口处的侧壁切线与水平位置的夹角为80°。
3.如权利要求1所述低阻力三通构件，其特征在于，主管进口一侧的主管壁与支管壁夹角的倒角为0.16D1。
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