CN109505829B - 一种非能动模块化流体阻力元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非能动模块化流体阻力元件，包括多个相互连接的空间节点。本发明的有益效果如下：(1)该类型阻力元件采用多个空间节点连接，使其具有加工、安装及调试难度明显降低；(2)该类型阻力元件采用框架结构及模块化节点，可使其设计工作更有效利用数值模拟及机器学习技术；(3)该类型阻力元件具有的框架结构易于实现各种空间形态，使阻力元件的使用范围提高；(4)该类型阻力元件具有非能动特性，与能动的流量或流阻调节装置相比，具有更高的可靠性。

Description

一种非能动模块化流体阻力元件
技术领域
本发明属于流体阻力元件设计，具体涉及一种非能动模块化流体阻力元件。
背景技术
流量控制是能源及动力系统设计的重要问题之一，调节管道流阻使之与驱动压头匹配，是最常用的技术手段。在核电领域，涉及诸多流量调节问题，尤其对于安注、安喷及安全壳冷却系统等安全相关系统，其事故后流量调节的可靠性、及时性及准确性与核电厂安全直接相关。第三代核电系统的代表有美国的AP1000、俄罗斯的WWER、欧洲的EPR及日本的ABWR等，这些电厂均采用了较多的非能动技术，这带来一个矛盾，即：传统流量调节过程通常是能动和闭环的，很难通过非能动技术手段实现。为此，对管道或流道阻力进行精确的非线性标定，并配以非能动触发设备，形成了新的流量控制方式，典型例子包括AP1000的PCS水箱排水管线的排管结构、AP1000的ADS-4爆破阀及ABWR的安注箱出口阻力件等。对于此类开环流量控制方法，预先精确设计流道结构以精确标定其阻力系数，是至关重要的问题。管道的流阻设计是工业界一直关注的问题，相关研发工作较多，如：美国2010年的专利Facemask with offset folding for improved fluid resistance（US7725948）提供了一种叠层结构流体阻力元件、美国2001年的专利Method for discharging ink from a liquidjet recording head having a fluid resistance element with a movable member,and head, head cartridge and recording apparatus using that method（US6213592）提供了一种具有流道内旋启叶片结构的阻力元件、1996年的美国专利Method and devicefor providing fluid resistance within a flow passageway（US5511585）提供了一种具有管道内多孔介质块结构的阻力元件，1994、1995年的两项美国专利Drag block forincreasing the fluid resistance of well production tubing inadvertentlydropped in a cased hole of an oil or gas well （US5372192）和Telescopingconduits for increasing the fluid resistance of well production tubinginadvertently dropped in an oil or gas well（US5474128），提供了两种具有管道内带孔套管的阻力元件。我国在精密及非线性流阻研发方面起步较晚，专利申请主要出现于2000年之后，如：一种流阻可调节的流体冷板结构（CN201510774212.X）、一种管内流阻微调附加装置（CN201621478962.9）、可变流阻（CN201310109003.4）、变阻力式管道流速限制装置（CN201710321571.9）等。
上述国内外专利，共同的特点是不存在设计意义上的通用性，即特定技术方案解决特定问题，难以扩大应用范围。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种非能动模块化流体阻力元件，具有通用性，便于加工、安装及调试。
本发明的技术方案如下：
一种非能动模块化流体阻力元件，包括多个相互连接的空间节点。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，所述空间节点包括空节点、回转体节点和多面体节点中的一种或几种。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，所述回转体节点和多面体节点分别由空节点安装相应的可拆卸节点构件构成。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，所述可拆卸节点构件中包括活动节点构件，所述活动节点构件包括主体、平衡弹簧、连杆和凸轮；所述平衡弹簧一端连接于所述空节点上，另一端通过连杆连接于所述主体上；所述平衡弹簧还与所述凸轮连接。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，所述平衡弹簧成对设置，两个平衡弹簧分别连接于所述主体的两端且轴线共线。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，还包括用于限制所述活动节点构件移动范围的结构限位。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，所述回转体节点和多面体节点分别为相应的整体节点元件。
进一步地，上述的非能动模块化流体阻力元件，所述空间节点的连接方向为三维中任一或几个。
本发明的有益效果如下：
（1）该类型阻力元件采用多个空间节点连接，使其具有加工、安装及调试难度明显降低；
（2）该类型阻力元件采用框架结构及模块化节点，可使其设计工作更有效利用数值模拟及机器学习技术；
（3）该类型阻力元件具有的框架结构易于实现各种空间形态，使阻力元件的使用范围提高；
（4）该类型阻力元件具有非能动特性，与能动的流量或流阻调节装置相比，具有更高的可靠性。
附图说明
图1为本发明的非能动模块化流体阻力元件的结构示意图（基础框架）。
图2为本发明的非能动模块化流体阻力元件的结构示意图（复合节点）。
图3为本发明的回转体节点的结构示意图。
图4为本发明的多面体节点的结构示意图。
图5为管道的结构示意图。
图6 为本发明非能动模块化流体阻力元件在图5所示的管道内阻力效果图（对角线纵截面）。
图7为本发明非能动模块化流体阻力元件在图5所示的管道内阻力效果图（横截面）。
图8为本发明非能动模块化流体阻力元件活动节点构件的结构示意图。
上述附图中，01、空节点；02、回转体节点；03、多面体节点；04、框架；05、管道； 06、管道入口；07、管道出口；08、结构限位；09、平衡弹簧；10、连杆；11、凸轮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1和图2所示，本发明提供了一种非能动模块化流体阻力元件，包括多个相互连接成框架04的空间节点。所述空间节点包括空节点01、回转体节点02和多面体节点03中的一种或几种。所述空间节点的连接方向为三维中任一或几个,从而根据需要形成立体结构。相同尺度的情况下，空节点具有最小的局部阻力；回转体节点局部阻力稍大，可能引起的脉动流较小；多面体节点局部阻力最大，可能引起的脉动流最大。
所述回转体节点02（参见图3）和多面体节点03（参见图4）可以是相应的整体节点元件构成，也可以分别由空节点01安装相应的可拆卸节点构件构成。
如图8所示，进一步地，为了进一步优化性能；所述可拆卸节点构件中包括活动节点构件，活动节点构件的主体可在管道内流体和平衡弹簧09的共同作用下，沿轴线方向运动，改变流体阻力元件的瞬时阻力特性，进而活动节点构件将为流体阻力元件提供预期的动态特性，或者成为脉动特性。所述活动节点构件包括主体、平衡弹簧09、连杆10和凸轮11；所述平衡弹簧09一端连接于所述空节点01上，另一端通过连杆10连接于所述主体上；所述平衡弹簧09还与所述凸轮11连接。所述平衡弹簧09成对设置，两个平衡弹簧09分别连接于所述主体的两端且轴线共线。此外，还包括用于限制所述活动节点构件移动范围的结构限位08。
使用时，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的节点构成相适的阻力元件。本发明的阻力元件设置于管道05内（管道05结构如图5所示），流体自管道入口06流向管道出口07。图6和图7展示了通过计算流体力学方法对流体阻力元件工作情况进行数值仿真的结果。如图所示，在不同类型节点周围，流体流动情况存在显著地差异，本发明所涉及的流体阻力元件正是对这种差异的组合利用。
本发明提出的技术方案具有突出的通用意义，其设计方法可与3D打印技术、计算流体力学仿真、机器学习及人工智能设计技术衔接，使其流阻精度标定达到前所未有的水平。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：包括多个相互连接的空间节点，所述空间节点包括空节点、回转体节点和多面体节点中的一种或几种；所述空间节点为可拆装的结构，通过不同空间节点的相互连接形成框架式模块化空间结构，在使用时，根据实际需求选择合适的节点构成相适的阻力元件。
2.如权利要求1所述的非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：所述回转体节点和多面体节点分别由空节点安装相应的可拆卸节点构件构成。
3.如权利要求2所述的非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：所述可拆卸节点构件中包括活动节点构件，所述活动节点构件包括主体、平衡弹簧、连杆和凸轮；所述平衡弹簧一端连接于所述空节点上，另一端通过连杆连接于所述主体上；所述平衡弹簧还与所述凸轮连接。
4.如权利要求3所述的非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：所述平衡弹簧成对设置，两个平衡弹簧分别连接于所述主体的两端且轴线共线。
5.如权利要求3所述的非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：还包括用于限制所述活动节点构件移动范围的结构限位。
6.如权利要求1所述的非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：所述回转体节点和多面体节点分别为相应的整体节点元件。
7.权利要求1-6任一所述的非能动模块化流体阻力元件，其特征在于：所述空间节点的连接方向为三维中任一或几个。
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