CN108444028B - 一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置 - Google Patents

Abstract

一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置，包括正向弧度导流段(1)、反向弧度导流段(2)、平直板段(3)、风机出口(4)、过滤箱体(5)；所述正向弧度导流段(1)一端连接风机出口(4)并与出口法线方向相切，所述反向弧度导流段(2)一端与正向弧度导流段(1)另一端切向连接，所述平直板段(3)平行于出口法线方向，且与反向弧度导流段(2)另一端切向连接，正向弧度导流段(1)、反向弧度导流段(2)、平直板段(3)均放置在过滤箱体(5)内。本发明降低了噪声传递以及对箱体密封性的严格要求，解决了涡流现象、减小新风流道阻力、降低能耗，保证过滤装置均匀过滤，提高过滤效率且延长过滤装置寿命。

Description

一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置

技术领域

本发明属于通风技术领域，涉及双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置。

背景技术

近年来，全国大范围持续出现雾霾，PM2.5浓度居高不下，空气污染问题已经成为大众关注的焦点。面对日益恶化的室外环境，新风机的出现为室内提供新鲜洁净空气，在保障室内良好空气品质方面发挥了重要作用。然而，目前市场上大多数新风机产品都是将风机后置(风机位于过滤装置后)，存在噪声大的弊端，虽然解决了人员对室内新风的需求，但是产生的噪声污染必须引起重视。其次，风机后置使得新风机箱体内呈现负压，这对新风机箱体密封性能提出了严格要求，避免污染空气渗入新风机箱体，引起新风的二次污染。诚然，也有少量新风机采用了风机前置安装，但是由于导流装置的缺失或缺陷，使得新风流道存在涡流死区现象，新风机整体阻力偏高，风机运行能耗增加。另外，导流装置的缺失或缺陷还会引起新风流道断面风速不均，导致过滤装置不能得到高效利用而缩短使用寿命，且会影响过滤装置的过滤效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种风机出口导流装置，尤其是面向风机的双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置，以解决传统新风机噪声大、新风二次污染、阻力高等问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面向风机的双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置，包括正向弧度导流段、反向弧度导流段、平直板段；所述正向弧度导流段一端连接风机出口并与出口法线方向相切，所述反向弧度导流段一端与正向弧度导流段另一端切向连接，所述平直板段平行于出口法线方向，且与反向弧度导流段另一端切向连接。

进一步的，所述导流装置接于风机出风口，可采用2mm厚钢板进行固定连接，例如焊接。

进一步的，所述导流装置的设计方法基于风机出风口风速分布特性，采用四弦等风量法进行风量均匀分配。

进一步的，基于湍流圆柱绕流理论，所述导流装置的正反两个圆弧导流段的弧度均应控制在45°以内，使湍流边界层分离点延长到圆弧以外，避免产生旋涡。

进一步的，所述导流装置的两个圆弧导流段的曲率半径根据导流前后结构尺寸和导流段弧度来确定，两个圆弧导流段沿出风口法向投影长度根据其曲率半径和导流段弧度来确定，所述平直板段的长度不小于单个圆弧导流段沿出风口法向投影长度的1/3。

进一步的，本发明可以用作一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本发明所示的一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置，通过风机前置(风机位于过滤装置前)，可以克服风机后置噪声较高的缺陷，同时降低了风机后置对新风机箱体密封性能的严格要求。另外，本发明的导流装置可以解决风机前置无导流存在的涡流现象，减小新风流道阻力，降低新风机运行能耗，且可以保证过滤装置均匀过滤，提高过滤效率且延长过滤装置寿命。具体分析如下：

(1)解除风机后置噪声大的缺陷。风机后置，即将风机放置于新风机的过滤装置之后，目的是使新风机的过滤装置位于风机负压段，达到均匀过滤的效果，提高过滤效率；然而此时风机噪声会经过新风管直接传递到室内，造成室内噪声污染。本发明采用导流装置，可将风机放置在过滤装置前，保证均匀过滤的情况下，使得风机噪声被过滤装置吸收/阻挡而衰减，减小室内噪声污染。

(2)降低风机后置对新风机箱体密封性能的严格要求。风机后置使新风机的过滤装置到风机区间段为负压段，若新风机箱体的密封性较差，会导致污染空气渗入箱体产生新风二次污染，降低新风机的过滤效率。本发明采用专用导流装置，可将风机放置在过滤装置前，保证均匀过滤的情况下，使得新风机箱体内维持正压，可降低对新风机箱体气密性的严格要求，阻挡污染空气渗入，有效保障新风机的高效过滤性能。

(3)降低新风流道阻力，减小新风机运行能耗。由于导流装置的缺失/缺陷，新风流道不可避免产生旋涡死区，导致新风流道阻力较大，新风机运行能耗较高。本发明采用专用导流装置，基于圆柱绕流理论的设计要求，可使湍流边界层分离点延长到圆弧以外，避免产生旋涡，降低新风流道阻力，减小新风机运行能耗。

(4)提高新风机过滤效率，延长过滤装置使用寿命。一些风机前置的新风机，由于导流装置的缺失/缺陷，还会引起新风流道断面风速不均，导致过滤装置不能得到高效利用而缩短使用寿命，且会影响过滤装置的过滤效率。本发明采用专用导流装置，可使新风流道内气流均匀分布，有效保障过滤断面的均匀过滤，提高新风机过滤效率，进一步延长过滤装置使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置的整体示意图。附图标记：正向弧度导流段1、反向弧度导流段2、平直板段3、风机出口4、过滤箱体5。

图2为本发明实施例的一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置的立体示意图。

图3为本发明实施例的一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置的尺寸标注示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置的整体示意图，包括正向弧度导流段1、反向弧度导流段2、平直板段3；所述正向弧度导流段1一端连接风机出口4并与出口法线方向相切，所述反向弧度导流段2一端与正向弧度导流段1另一端切向连接，所述平直板段3平行于出口法线方向，且与反向弧度导流段2另一端切向连接，所述平直板段3平行于出口法线方向，且与反向弧度导流段2另一端切向连接，正向弧度导流段1、反向弧度导流段2、平直板段3均放置在过滤箱体5内。

如图2所示，一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置的立体示意图，导流叶片均垂直于过滤箱体5的底面安装，最外侧两片导流叶片与风机出口相切，中间四片导流叶片安装位置根据四弦等风量法进行计算来确定，详见后续实施案例的计算过程。图2中所示正向弧度导流段1、反向弧度导流段2、平直板段3为板状结构。

所述导流装置连接于风机出风口4，导流装置与风口边缘采用2mm厚钢板进行焊接，同时导流装置与过滤箱体底部焊接相连，避免导流叶片发生抖动而产生气流噪声。

本发明导流装置的设计方法基于风机出风口风速分布特性，采用四弦等风量法进行风量均匀分配。对于风机出风口风速均匀分布的情况，此时四弦等风量法即应按照四弦等面积法来切割风机出口圆断面，根据数学几何方法，可以求出四弦的相应弦长、弦心距及导流段的弧度和曲率半径，即确定了各导流叶片的形状和安装位置。对于风机出口风速不均匀分布的情况，则应当根据出口风速分布规律，基于四弦等风量法来确定风机出口各分割区域的面积，根据数学几何方法，计算得到四弦的相应弦长、弦心距及导流段的弧度和曲率半径，确定出各导流叶片的形状和安装位置。

低阻贴附型双向反弧度导流装置第一段为正向弧度导流段，与出口气流相切并将气流从出口中心部位向两侧导，第二段为反向弧度导流段，将气流方向导回，再加一块平直板段与第二段导流板末端相切，使气流平行于出风口法线方向。基于湍流圆柱绕流理论，所述导流装置的正反两个圆弧导流段的弧度均应控制在45°以内，使湍流边界层分离点延长到圆弧以外，避免产生旋涡，以实现新风机的低阻要求。

导流装置的两个圆弧导流段的曲率半径根据导流前后管径和导流段弧度来确定，两个圆弧导流段沿出风口法向投影长度根据其曲率半径和导流段弧度来确定，所述平直板段3的长度不小于单个圆弧导流段沿出风口法向投影长度的1/3。

在导流前后管径给定情况下，导流装置的总体长度主要取决于导流段弧度，其中导流段弧度越大，导流装置的总体长度越小。但为避免流体边界层脱离，导流段弧度有上限要求，不宜超过45°。

实施例：以风机出口风速均匀的情况设计导流装置为例，如图3所示，已知风机出口为半径为r的圆管，风机出口半径r已知，可求出a₁/a₂/a₃；将整个出风口等面积分成四弦五等份，则通过面积均分可计算出弦到圆心的距离(从左到右)分别为a₂、a₁、a₁、a₂。

a₁＝0.1577r

a₂＝0.4919r

a₃＝r

从风机出口导流至长2b₃宽d的矩形面(导流出口矩形断面)上，过滤箱体出口断面尺寸(2b₃*d)已知，可求出b₁、b₂；导流距离为2c₁+c₂。其中c₁为正/反向圆弧导流段的长度，c₂为平直板导流段的长度。导流平直板段出口与矩形面中心线的水平距离(从左到右)分别为b₃、b₂、b₁、b₁、b₂、b₃。导流出口矩形面尺寸根据实际的设计需求确定。

b₁＝0.2b₃

b₂＝0.6b₃

正向弧度导流段的圆弧对应的圆心在垂直于风机出口方向的法线上，圆弧的半径通过以下公式确定：

其中，字母i表示正向弧度导流段的编号，如1、2、3……。

反向弧度导流段的圆弧对应的圆心在垂直于平直板导流段的法线上(图中虚线)，圆弧的半径与正向弧度导流段圆弧的半径相同。平直板段3的长度不小于单个圆弧导流段沿出风口法向投影长度的1/3，即1/3。将圆弧对应的弧度定义为θ，则

其中，字母i表示正向弧度导流段的编号，如1、2、3……。

因此θ为圆弧导流段长度c₁的函数，而圆弧导流段长度c₁计算结果应符合“所述导流装置的正反两个圆弧导流段的弧度θ均应控制在45°以内”的要求，由于内侧圆弧的弧度比外侧圆弧的弧度小，当最外面两侧圆弧满足该要求时，则内侧圆弧的弧度必定满足要求。因此，圆弧导流段长度c₁通过最外侧圆弧弧度确定，计算如下：

求解得到：

c₁确定后，则所有内侧圆弧的半径都能通过已知的圆弧导流段长度c₁和其他已知尺寸参数求出。导流装置的宽度等于导流出口矩形断面的宽度d。

本专利导流装置是基于新风机固有尺寸来进行设计，其他参数皆可根据新风机固有尺寸计算出来，如a₁、a₂、a₃根据风机出口管径计算得到，b₁、b₂、b₃根据过滤箱体断面尺寸计算得到；c₁的下限即是依据“所述导流装置的正反两个圆弧导流段的弧度θ均应控制在45°以内”计算得到，导流装置满足下限要求即可，通常取下限值，保证导流效果的同时节省材料，降低成本。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双向反弧度免边界层脱离的风机出口导流装置，其特征在于：包括正向弧度导流段(1)、反向弧度导流段(2)、平直板段(3)、风机出口(4)、过滤箱体(5)；所述正向弧度导流段(1)一端连接风机出口(4)并与出口法线方向相切，所述反向弧度导流段(2)一端与正向弧度导流段(1)另一端切向连接，所述平直板段(3)平行于出口法线方向，且与反向弧度导流段(2)另一端切向连接，正向弧度导流段(1)、反向弧度导流段(2)、平直板段(3)均放置在过滤箱体(5)内；

所述导流装置连接于风机出口(4)，导流装置与风口边缘采用钢板进行焊接，同时导流装置与过滤箱体(5)底部固定相连，避免导流叶片发生抖动而产生气流噪声；

所述导流装置的设计方法基于风机出风口风速分布特性，采用四弦等风量法进行风量均匀分配，所述导流装置中的导流叶片均垂直于过滤箱体(5)的底面安装，最外侧两片导流叶片与风机出口相切，中间四片导流叶片安装位置根据四弦等风量法进行计算来确定；

基于湍流圆柱绕流理论，所述导流装置的正反两个圆弧导流段的弧度均应控制在45°以内，使湍流边界层分离点延长到圆弧以外，避免产生旋涡，以实现低阻要求；

所述导流装置第一段为正向弧度导流段，与出口气流相切并将气流从出口中心部位向两侧导，第二段为反向弧度导流段，将气流方向导回，再加一块平直板段与第二段导流板末端相切，使气流平行于出风口法线方向；

所述导流装置的两个圆弧导流段的曲率半径根据导流前后结构尺寸和导流段弧度来确定，两个圆弧导流段沿出风口法向投影长度根据其曲率半径和导流段弧度来确定，所述平直板段(3)的长度不小于单个圆弧导流段沿出风口法向投影长度的1/3；

已知风机出口为半径为r的圆管，将整个出风口等面积分成四弦五等份，则通过面积均分可计算出弦到圆心的距离从左到右分别为a₂、a₁、a₁、a₂，

a₁＝0.1577r

a₂＝0.4919r

a₃＝r；

从风机出口导流至长2b₃宽d的矩形面，即导流出口矩形断面上，过滤箱体出口断面尺寸2b₃*d已知，可求出b₁、b₂；导流距离为2c₁+c₂；其中c₁为正/反向圆弧导流段的长度，c₂为平直板导流段的长度；导流平直板段出口与矩形面中心线的水平距离从左到右分别为b₃、b₂、b₁、b₁、b₂、b₃；导流出口矩形面尺寸根据新风机实际的设计需求确定；

b₁＝0.2b₃

b₂＝0.6b₃；

正向弧度导流段的圆弧对应的圆心在垂直于风机出口方向的法线上，圆弧的半径通过以下公式确定：

其中，字母i表示正向弧度导流段的编号，如1、2、3……；

反向弧度导流段的圆弧对应的圆心在垂直于平直板导流段的法线上，圆弧的半径与正向弧度导流段圆弧的半径相同；平直板段3的长度不小于单个圆弧导流段沿出风口法向投影长度的1/3；将圆弧对应的弧度定义为θ，则

其中，字母i表示正向弧度导流段的编号，如1、2、3……；

圆弧导流段长度c₁通过最外侧圆弧弧度确定，计算如下：

求解得到：

c₁确定后，则所有内侧圆弧的半径都能通过已知的圆弧导流段长度c₁和其他已知尺寸参数求出；导流装置的宽度等于导流出口矩形断面的宽度d。