CN108167564A - 一种限制流体回流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限制流体回流装置，包括流体进口和流体出口，其中，所述流体进口和流体出口之间设置有至少一个主流通道，所述主流通道的侧面分布有两端均与所述主流通道连通的旁通通道，且所述旁通通道的两端均朝向所述流体出口所在侧。当流体逆向流动进入本发明装置时，一部分流体流入旁通通道，这部分流体在离开旁通通道时，其流动方向与主流通道内流体流动方向相逆，两股流体在旁通通道出口位置发生剧烈碰撞，产生大量湍流涡旋，消耗流体的流动动能，增加流动阻力。进入装置的流体在经过多次主流通道流体和旁通通道流体的碰撞后，流体动能完全被消耗，阻力增大到使流体运动产生滞止，最终实现限制流体回流效果。

Description

一种限制流体回流装置

技术领域

本发明涉及流体输配技术领域，具体涉及一种限制流体回流装置。

背景技术

在流体输送过程中，许多情况下都需要流体(气体、液体)只进行单向流动，即要避免回流倒灌现象的出现。为此，在大量流体输送场合都需要设置防止回流的装置。

目前流体输送领域出现的各种防止回流装置，多以止回阀形式出现，安装在水管、风管等流体输配通道上。这些止回阀门上一般都设置有复杂的机械开闭结构，在长时间使用后会出现机械结构老化失效的情况。同时，受到结构限制，止回阀的控制范围较小，不能在更大范围内限制流体回流，如防止通风窗两侧流体的回流倒灌。

发明内容

本发明的目的是提供一种限制流体回流装置，以有效地限制流体回流，本装置结构简单，内部无机械运动部件，可有效避免传统装置存在的机械老化失效的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种限制流体回流装置，包括流体进口和流体出口，其中：

所述流体进口和流体出口之间设置有至少一个主流通道，所述主流通道的侧面分布有两端均与所述主流通道连通的旁通通道，且所述旁通通道的两端均朝向所述流体出口所在侧。

进一步地，所述的主流通道包括端部相互连接的下降段和上升段，下降段和上升段之间存在非零夹角；所述流体进口连接下降段的端部，流体出口连接上升段的端部。

进一步地，所述流体进口的轴向与所述下降段的轴向相同，所述流体出口的轴向与流体进口的轴向平行。

进一步地，所述的旁通通道包括第一导流道以及与第一导流道端部相连通的第二导流道，第一导流道与第二导流平行，且第一导流道的轴向长度小于第二导流道的轴向长度，第一导流道的内径与第二导流道的内径相同。

进一步地，所述的第一导流道通过第一接口与所述的主流通道连通，第二导流道通过第二接口与所述的主流通道连通。

进一步地，所述的旁通通道包括设置在所述下降段下侧的第一旁通通道以及设置在所述上升段上侧的第二旁通通道，其中，第一旁通通道中第一导流道、第二导流道的轴向与所述上升段的轴向平行，第二旁通通道中第一导流道、第二导流道的轴向与所述下降段的轴向平行。

进一步地，所述第一旁通通道中的第二导流道、第二旁通通道中的第一导流道连接在所述下降段、上升段的连接处。

进一步地，所述的第一旁通通道中第二导流道与所述下降段之间的夹角记为α，所述上升段与水平方向之间的夹角记为θ，则有α＝2θ。

进一步地，所述的旁通通道的内径与主流通道内径的比例范围为0.6～1。

进一步地，所述的限制流体回流装置还包括箱体，箱体的前面板、后面板相互平行，所述的流体进口、流体出口对称开设在所述前面板、后面板上，且流体进口、流体出口在所述前面板、后面板上间隔设置多组。

本发明具有以下技术特点：

本发明通过在装置内部的主流通道旁边连接旁通通道，使得流体进行正向流动和逆向流动时装置内部流场存在巨大差异。当流体进行正向流动时，由于旁通通道的开口方向与流体流动方向相顺，导致流体主要在主流通道中流动，旁通通道几乎不存在流体出入，最终流体通过装置时所受阻力较小。

当流体进行逆向流动时，旁通通道的开口方向与流体流动方向相一致，部分流体进入旁通通道，这部分流体在离开旁通通道时，其流动方向变为与主流通道流体流动方向相逆，在旁通通道出口位置两通道内流体发生剧烈碰撞，产生大量湍流涡旋以流体的流动动能，增加流动阻力。进入装置的流体在经过多次主流通道流体和旁通通道流体的碰撞后，流体动能完全被消耗，阻力增大到使流体运动产生滞止，阻止了流体的逆向流动，最终实现限制流体回流效果。

附图说明

图1为本发明的前面整体结构图；

图2为本发明的后面整体结构图；

图3为本发明的侧面剖面图；

图4为主流通道、旁通通道部分的剖面细节图；

图5为两个主流通道连接时的示意图；

图6为本发明的正向流动时流体速度矢量图；

图7为本发明的正向流动时局部流体速度矢量图；

图8为本发明的正向流动时压力分布图；

图9为本发明的逆向流动时流体速度矢量图；

图10为本发明的逆向流动时局部流体速度矢量图；

图11为本发明的逆向流动时压力分布图。

图中标号代表：1—前面板，2—后面板，3—上顶板，4—下底板，5—左侧板，6—右侧板，7—流体进口，8—流体出口，9—旁通通道，9a—第一接口，9b—第二接口，9c—第一导流道，9d—第二导流道，9-1—第一旁通通道，9-2—第二旁通通道，10—主流通道，10a—下降段，10b—上升段。

具体实施方式

如图4所示，本发明提供了一种限制流体回流装置，包括流体进口7和流体出口8，其中：

所述流体进口7和流体出口8之间设置有至少一个主流通道10，所述主流通道10的侧面分布有两端均与所述主流通道10连通的旁通通道9，且所述旁通通道9的两端均朝向所述流体出口8所在侧。

本发明所述的流体进口7和流体出口8，位于流体输送过程中需要限制流体回流的部位，相当于一个止回阀的作用，其中所述的流体可以为气体，例如空气，也可以为液体，例如水、油等。例如可将本发明安装在两段流体输送管道之间，使所述的流体进口7、流体出口8分别与所述两段流体输送管道连接，则流体从一段流体输送管道自流体进口7进入本装置，再从流体出口8进入到另一端流体输送管道中，而本发明装置的结构则能有效地避免流体从流体出口8进入而从流体进口7流出本装置。

为了达到止回的目的，本方案中在流体进口7和流体出口8之间设置有至少一个主流通道10，如图4所示，给出了一个主流通道10时的示意图，此时流体进口7、流体出口8分别连接在该主流通道10的两端；而如图5所示，给出了两个主流通道10的示意图，此时两个主流通道10的端部相互连接，而所述的流体进口7、流体出出口分别位于所述两个相互连接的主流通道10的两端。

本方案中，在所述的主流通道10的侧面分布有旁通通道9，如图4所示，旁通通道9的结构均相同，其具有两个端部，且该两个端部均与所述的主流通道10相连通，主流通道10可以自所述旁通通道9的一个端部流入到旁通通道9中，再从旁通通道9的另一个端部流回到主流通道10内。为了起到止回的效果，本方案中所述旁通通道9的两端均朝向所述流体出口8所在侧，即，所述旁通通道9的两端的轴向均指向所述流体出口8所在侧，旁通通道9两端的轴心线可以与所述流体出口8的轴心线平行或相交。

按照上述技术方案，当流体自所述的流体出口8进入到主流通道10中以后，部分流体将从所述旁通通道9的一端流入，继而从旁通通道9的另一端流出，与主流通道10内的流体产生湍流碰撞，产生局部阻力，从而造成流体大量的动能损失；当旁通通道9在主流通道10侧面设置多个时，将能使流体的动能被逐渐消耗，由此起到限制流体回流的效果。

可选地，如图3至图5所示，主流通道10包括端部相互连接的下降段10a和上升段10b，下降段10a和上升段10b之间存在非零夹角；所述流体进口7连接下降段10a的端部，流体出口8连接上升段10b的端部。本方案中的上升段10b和下降段10a，使得主流通道10整体构成V形结构，其作用是在不影响流体在本装置内的正向流动(自流体进口7至流体出口8方向)，同时使所述旁通通道9的效果能更好地发挥；优选地，所述的主流通道10的内径均匀一致，即在任意位置横截面的大小相同，以减小流体在正向流动时所受的阻力。

主流通道10采用上述下降段10a和上升段10b相互连接的结构设计，使得流体在主流通道10内部逆向流动时，由于所述旁通通道9的端部朝向流体出口8所在侧，则使得流体能更容易地进入到旁通通道9内部，从而使得流体动能可被有效消耗。为保证流体在主流通道10内流动时所受到的阻力较小，并且兼顾旁通通道9效果的发挥，主流通道10的转角不宜过大，优选地，主流通道10的转角小于30°；所述的转角为主流通道10上升段10b或下降段10a与水平方向之间的夹角，如图4中的θ为上升段10b与水平方向的夹角；优选地，所述的上升段10b和下降段10a的长度相同，对称设置，即上升段10b、下降段10a与水平方向之间的夹角相同。

可选地，所述流体进口7的轴向与所述下降段10a的轴向相同，所述流体出口8的轴向与流体进口7的轴向平行，如图3至图5所示，即所述流体出口8的朝向与流体进口7的朝向平行或在同一条直线上，这种结构有利于流体自流体进口7进入到主流通道10中，也便于流体自流体出口8流出主流通道10。

本方案中，所述旁通通道9的具体结构如图4所示，所述的旁通通道9包括第一导流道9c以及与第一导流道9c端部相连通的第二导流道9d，第一导流道9c与第二导流平行，且第一导流道9c的轴向长度小于第二导流道9d的轴向长度，第一导流道的内径与第二导流道的内径相同。

所述的第一导流道9c与第二导流道9d之间通过弯管连接，该弯管可以是U形弯管，或者弧形弯管、直角弯管或钝角弯管等。第一导流道9c通过第一接口9a与所述的主流通道10连通，第二导流道9d通过第二接口9b与所述的主流通道10连通。所述的第一接口9a与第一导流道同轴，第二接口9b与所述的第二导流道同轴。

如图4所展示出的实施例中，在每个主流通道10上设置两个旁通通道9，具体包括设置在所述下降段10a下侧的第一旁通通道9-1以及设置在所述上升段10b上侧的第二旁通通道9-2，其中，第一旁通通道9-1中第一导流道9c、第二导流道9d的轴向与所述上升段10b的轴向平行，第二旁通通道9-2中第一导流道9c、第二导流道9d的轴向与所述下降段10a的轴向平行，这样就使得旁通通道9的两端均朝向了所述的流体出口8所在侧；这种结构使得流体在主流通道10内正向流动时，不易进入到旁通通道9中，而在逆向流动时，又能进入到旁通通道9，并使得主流通道10内的流体被旁通通道9影响。

可选地，所述的第一旁通通道9-1也可以位于所述下降段10a的上方，而第二旁通通道9-2也可以位于所述下降段10a的下方；而在所述的下降段10a、上升段10b上，旁通通道9可以有一个或多个。

本实施例中，如图4所示，下降段10a、上升段10b上各设置一个旁通通道9，其中所述第一旁通通道9-1中的第二导流道9d、第二旁通通道9-2中的第一导流道9c连接在所述下降段10a、上升段10b的连接处。

经过发明人试验验证，所述的第一旁通通道9-1中第二导流道9d与所述下降段10a之间的夹角记为α，则有α＝2θ时，限制回流效果比较理想。

作为上述技术方案的进一步优化，根据所需限制回流效果不同，旁通通道9的内径(第一导流道9c、第二导流道9d的内径相同，即D2)D2与主流通道10的内径(下降段10a与上升段10b内径相同，即D1)D1的比例范围在0.6～1，以使得流体在逆向流动时，通过旁通通道9流动的流体流量不少于同一时刻内主流通道10内流体流量的60％。旁通通道9的内径D2与主流通道10内径D1的比越接近1，装置限制流体回流效果越好。

图1至图3给出了本发明装置更为具体的一种应用结构图，所述的限制流体回流装置还包括箱体，例如该箱体可以为矩形箱体，包括前面板1、后面板2、左侧板5以及上顶板3、下顶板，箱体的前面板1、后面板2相互平行，所述的流体进口7、流体出口8对称开设在所述前面板1、后面板2上，且流体进口7、流体出口8在所述前面板1、后面板2上间隔设置多组，如图3所示，每一组流体进口7、流体出口8之间均有主流通道10以及旁通通道9。该箱体可以应用于通风窗上，可以使室内空气流向外界，阻止外界空气进入室内。

根据上述结构，结合附图对本发明的原理进行进一步说明：

当流体进行正向流动时，流体通过前面板1上的流体进口7进入本发明装置，由于旁通通道9两端的朝向与此时主流通道10内的流体流动方向相顺，因此绝大多数流体从主流通道10流过，但基本不会对主流通道10的流体流动造成影响；流体最终从后面板2上的流体出口8流出本装置。

当流体进行逆向流动时，流体通过后面板2上的流体出口8进入本发明装置。由于此时流体流动方向与旁通通道9两端的朝向相反，因此部分流体通过旁通通道9端部的第二接口9b进入到旁通通道9内，部分流体进入主流通。进入旁通通道9的流体从旁通通道9第一接口9a流出时，流动方向与主流通道10内流体流动方向相对，两股流体产生湍流碰撞，产生局部阻力，同时消耗大量流体动能；当主流通道10两侧设置多个旁通通道9时，流体在旁通通道9端部的第一接口9a位置多次经过上述碰撞后，流体动能完全被消耗，阻力增大到使流体运动产生滞止，阻止了流体的逆向流动，最终实现限制流体回流的效果。

验证实例

为了验证本装置对污染物的控制和捕集作用，根据实际使用情况建立了数值模模型，模型的前、后面板尺寸为200×200mm，厚度为125mm，验证中流体流动速度为5m/s。通过对装置两侧压差的分析，验证本发明对两种不同流动方式的流动阻力(压降)的差异。计算域设定为200×200×225mm长方体内，即长宽尺寸与本发明装置前后面板尺寸相同。与本发明装置置于计算域中部，前、后面板与计算域两侧边界距离相等。计算域两侧设置为流体的流入、流出边界条件。

本验证中涉及的气体流动为马赫数小于0.3的低速流动，故可将空气视为不可压缩流体；同时不考虑气流温差，因此可认为室内空气流动符合Boussinesq假设。湍流模型采用Realizablek-ε双方程模型进行计算，控制方程式在上面假设的基础上，得到k-ε湍流数学模型的各时均值控制方程。空间无粘项格式选用二阶迎风格式，并采用SIMPLE算法对离散方程进行求解，当速度项和压力项残差值均小于10^-3，同时温度和组分的残差值均小于10^-6时，控制方程组收敛，此时即可得到计算域内各个位置的速度与压力分布。

最终建立控制方程组如下所示：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

式中u为气流速度；k为湍流脉动动能；T为室内空气温度；μ为层流动力粘性系数；μ_t为湍流动力粘性系数；p为空气压力；ρ为空气密度；C_p为空气定压比热容；q为热流密度；β为流体体积膨胀系数。

如图6所示，空气从装置前面板方向正向流入本发明装置，气流在装置内部分布均匀，从另一侧均匀稳定流出。从图7局部气流速度矢量图可见，气流主要在主流通道内运动，旁通通道内气流速度极小，近似不存在流体的出入。从图8可见，装置内部压力分布较为均匀，不存在明显的压降。经计算，计算域两侧边界压降为203.50Pa。

如图9所示，空气从装置后面板方向逆向流入本发明装置，气流在装置内部流动均匀性很差，气体从另一侧流出时流出方向均匀程度较低。从图10局部气流速度矢量图可见，旁通通道内存在较高速气流，主流通道内气流与旁通通道内气流在旁通通道出口位置发生剧烈碰撞。从图11可见，装置内部流场压力分布存在明显压力梯度，特别是在流体碰撞后出现明显压降。经计算，计算域两侧边界压降为472.96Pa，与流体正向流动相比较，其压降提升约132％，有效起到限制流体逆向流动的作用。

Claims (10)

1.一种限制流体回流装置，包括流体进口(7)和流体出口(8)，其特征在于，所述流体进口(7)和流体出口(8)之间设置有至少一个主流通道(10)，所述主流通道(10)的侧面分布有两端均与所述主流通道(10)连通的旁通通道(9)，且所述旁通通道(9)的两端均朝向所述流体出口(8)所在侧。

2.如权利要求1所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的主流通道(10)包括端部相互连接的下降段(10a)和上升段(10b)，下降段(10a)和上升段(10b)之间存在非零夹角；所述流体进口(7)连接下降段(10a)的端部，流体出口(8)连接上升段(10b)的端部。

3.如权利要求2所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述流体进口(7)的轴向与所述下降段(10a)的轴向相同，所述流体出口(8)的轴向与流体进口(7)的轴向平行。

4.如权利要求2所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的旁通通道(9)包括第一导流道(9c)以及与第一导流道(9c)端部相连通的第二导流道(9d)，第一导流道(9c)与第二导流平行，且第一导流道(9c)的轴向长度小于第二导流道(9d)的轴向长度，第一导流道(9c)的内径与第二导流道(9d)的内径相同。

5.如权利要求4所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的第一导流道(9c)通过第一接口(9a)与所述的主流通道(10)连通，第二导流道(9d)通过第二接口(9b)与所述的主流通道(10)连通。

6.如权利要求4所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的旁通通道(9)包括设置在所述下降段(10a)下侧的第一旁通通道(9-1)以及设置在所述上升段(10b)上侧的第二旁通通道(9-2)，其中，第一旁通通道(9-1)中第一导流道(9c)、第二导流道(9d)的轴向与所述上升段(10b)的轴向平行，第二旁通通道(9-2)中第一导流道(9c)、第二导流道(9d)的轴向与所述下降段(10a)的轴向平行。

7.如权利要求6所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述第一旁通通道(9-1)中的第二导流道(9d)、第二旁通通道(9-2)中的第一导流道(9c)连接在所述下降段(10a)、上升段(10b)的连接处。

8.如权利要求6所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的第一旁通通道(9-1)中第二导流道(9d)与所述下降段(10a)之间的夹角记为α，所述上升段(10b)与水平方向之间的夹角记为θ，则有α＝2θ。

9.如权利要求1所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的旁通通道(9)的内径与主流通道(10)内径的比例范围为0.6～1。

10.如权利要求1所述的限制流体回流装置，其特征在于，所述的限制流体回流装置还包括箱体，箱体的前面板(1)、后面板(2)相互平行，所述的流体进口(7)、流体出口(8)对称开设在所述前面板(1)、后面板(2)上，且流体进口(7)、流体出口(8)在所述前面板(1)、后面板(2)上间隔设置多组。