CN111891757B - 一种多口变强度的多功能起旋器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多口变强度的多功能起旋器及其设计方法，所述起旋器包括多口壳体，多口壳体为上端设有锥体，下端密封连接有开口的多螺纹底盖的圆筒体，多口壳体内设置有与所述多螺纹底盖相连通的内流管，内流管的外壁上沿轴向固定设置有至少一个头的变升角扭带，内流管上端连接有锥面导流套，多口壳体上端锥体上设置有带外螺纹的圆筒口，圆筒口上螺纹连接有第二法兰盘，下端筒壁上设置有多个圆柱入口和多个切向起旋入口；多螺纹底盖下端螺纹连接有第一法兰盘。本发明结合了湍流场旋流拟序结构进行设计，在水力输送工况下产生的旋流场强度强，能量利用好，提高长距离输送效率。结构合理、密封性好，且拆装和功能切换方便快捷，操作方式多样灵活。
Description
技术领域
本发明属于垂直管道水力输送技术领域，尤其涉及一种多口变强度的多功能起旋器及设计方法。
背景技术
管道水力输送是一种以液体(通常为水)作为载体通过管道输送固体物料的运输方式，以其无污染、节省能源、运输不受天气影响、运输量大等优点在工程领域得到了广泛的应用。管道水力提升系统中一般采用常规轴流输送物料,但垂直管道水力输送时物料起步慢、沉积性强，同时当浓度过高时物料可能聚集在管道中心发生淤堵现象。为了改善上述问题，可采用增大提升速度、更换输送介质、改进流场速度分布等方式。旋流垂直水力输送改变了管内流场速度分布，将常规轴流提升改进为轴向、切向速度结合的螺旋式上升输送。相对于传统轴流提升，旋流垂直水力输送可有效加快物料起步速度，在避免物料集中管道中心的同时增大物料动能和浓度，提高输送效率。
旋流发生装置用以引导旋流的产生，是旋流水力输送的核心。常见旋流发生方式可按结构分为起旋叶片式、螺旋壁面式、切向射流式，但应用在水力输送中各有不足。起旋叶片发生的旋流强度较好，但物料无法过流，应用范围受限制；螺旋壁面式颗粒可通过，但引导的旋流强度较低且加工困难、功能不可调节；切向射流式发生的旋流强度较大，但能量损失大且不易调节功能。
专利号为:201610212206.X，公开了一种双向调节多用涡旋流起旋器。该专利具有剖分式壳体、进气调节环、轴向起旋叶轮和出气调节管等结构特征。但本申请人通过对201610212206.X专利进行了数值计算研究，发现该专利应用于气力输送领域，由于气流与水流的物性差异，该专利设计的叶片结构在垂直水力输送中发生的旋流强度较小，难以对粗颗粒水力提升起到预期效果；同时该专利的设计内容未结合流体流动特性和旋流场拟序结构，在能量利用程度和旋流作用效果方面存在一定的缺陷和不足；此外该专利设计的结构在密封性、合理性等方面也存在一些不足之处有待改进。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷和不足，提供一种多口变强度的多功能起旋器。
本发明结合了湍流场旋流拟序结构，在水力输送工况下产生的旋流场强度强，能量利用好，能以合理能耗发生强度较高的旋流，加快颗粒起步、降低淤塞风险、提高长距离输送效率。同时结构合理、密封性好，且拆装和功能切换方便快捷，操作方式多样灵活。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种多口变强度的多功能起旋器，包括多口壳体7，所述多口壳体7为上端设有锥体，下端密封连接有开口的多螺纹底盖4的圆筒体，所述多口壳体7内设置有与所述多螺纹底盖 4相连通的内流管5，所述内流管5的外壁上沿轴向固定设置有至少一个头的变升角扭带6，所述内流管5上端连接有锥面导流套9，所述多口壳体7上端锥体上设置有带外螺纹的圆筒口，圆筒口上螺纹连接有第二法兰盘11，下端筒壁上设置有多个圆柱入口和多个切向起旋入口；所述多螺纹底盖4下端螺纹连接有第一法兰盘1。
进一步地，所述多螺纹底盖4的纵截面为二个相向并列且隔离的N字形，设有三处螺纹，直管段401外部设有用于连接第一法兰盘1的螺纹，直管段401内部设有用于连接内流管5 的螺纹，锥面段402锥面与竖直方向夹角θ1在30°～60°范围内。锥面段402末端密封槽403 内设有用于连接多口壳体7的螺纹，密封槽403内置有V型毡圈3。
进一步地，所述圆柱入口为2个，包括径向对称设置的第一圆柱入口701和第二圆柱入口702。所述切向起旋入口为2个，包括径向对称设置的第一切向起旋入口703和第二切向起旋入口704。所述多口壳体7上端设有锥体的锥角θ2范围在20°～30°范围内。
进一步地，所述变升角扭带6的上升角α从大到小分段逐渐变化，α范围在15°～60°之间。
进一步地，所述锥面导流套9与内流管5采用螺纹连接，所述锥面导流套9的锥角θ3与θ2相联系，θ2-θ3＝9～15°。
为达到上述目的，本发明采用如下另一技术方案予以实现。
一种多口变强度的多功能起旋器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，根据管道输送工况起旋需求，判断起旋类型与起旋强度，在变升角扭带6上升角可取范围(15°～60°)内进一步缩小角度选择区间，在角度选择区间内确定两个及以上的上升角角度，对所选上升角的扭带管道进行三维建模，对几何模型进行网格划分后，对各扭带管道进行CFD数值计算以获得流场数据；
步骤二，处理步骤一得到的各扭带管道流场数据，绘制管道全程涡量云图，定量分析各上升角扭带的涡量级数，在步骤一选取的上升角角度中进一步确定两个及以上的上升角角度用以组成变升角扭带6；对确定的上升角角度对应的计算数据进行后处理，得到对应工况下流场旋流数和旋流数衰减率，将不同上升角扭带按上升角从大至小分段拼合为变升角扭带6，每一段扭带长度按旋流数数值来定量确定。
步骤三，对步骤二确定的变升角扭带6进行几何建模与CFD数值计算，比较变升角扭带 6的旋流强度、旋流衰减、压损等性能参数与步骤二中确定的单角度扭带性能参数的优劣，验证变升角扭带6的性能优异性，若未达到预期效果，更换步骤二所确定角度再次按顺序进行设计。
步骤四，在多口壳体7底部设计多对等间距分布的圆柱入口和切向起旋入口，切向起旋入口基于阿基米德螺线进行设计，具有稳定节能起旋效果，入口尺寸按照伯努利方程进行设计；多口壳体7末端设计有锥面，引导旋流与内部轴流在主出流口10平滑交汇。
步骤五，多螺纹底盖4纵截面设计为二个相向并列且隔离的N字形，设计有锥面段402，用以引导步骤四设计的多口壳体7的底部入口水流的流动，改变流场速度分布结构，锥面段 402与竖直方向夹角θ1在30°～60°范围内。
步骤六，将步骤三验证后的变升角扭带6焊接安装在内流管5上，内流管5两端设计有相同的螺纹连接段，可进行正反两种不同方式安装，一端连接多螺纹底盖4，一端安装锥面导流套9，锥面导流套9的收缩锥面与多口壳体锥面段夹角角度在9～15°区间内，与多口壳体 7末端锥面共同作用，引导旋流与内部轴流在主出流口10平滑交汇。
进一步地，步骤一所述的管道输送工况起旋需求包括粗颗粒加速起步、粗颗粒防淤堵、长距离稳定旋流输送；起旋类型包括高强度螺旋流和稳定周期性螺旋流，根据工况需求，确定所需的旋流强度与起旋类型，在15°～60°的可取范围内进一步对扭带上升角缩小区间，确定两个及以上的上升角角度；网格划分过程采用ICEM软件进行混合网格划分，含扭带区域划分为四面体非结构网格，其余区域划分为六面体结构化网格，将交接面在Fluent中设置为 interface进行计算域连接。
进一步地，步骤二中采用Tecplot进行涡量云图绘制，将各管路云图数值范围与分级保持一致；对步骤二中进一步确定的两个及以上的上升角角度的计算数据进行流场旋流数处理，提取截面时均轴向和切向速度分布，按如下旋流数公式计算：
其中R为管道内径和管内扭带直径，r为截面任意一点距离管道和扭带中心线的距离，vA为该点处流体轴向速度，vt为该点处流体切向速度。随后采用Origin按指数函数对旋流数进行公式拟合，拟合残差保证在1E-5级别，随后对旋流数进行一阶求导得到旋流数衰减率公式。步骤二中的变升角扭带6的拼合设计，上升角从大至小拼合，第一个角度即所选的最大上升角角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数增长至峰值所需距离，后续每个角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数从前一个角度的峰值点与当前角度的峰值之间的距离。
进一步地，步骤三中比较管道总压，在提取管道总压数值后，按如下公式进行无量纲化处理：
式中，P*是无量纲总压，P是管道的总压，ρl和ul分别为流体密度和速度。步骤三中比较变升角扭带6与所选的单角度扭带在旋流强度、旋流衰减、压损等性能参数方面的优势，体现在变升角扭带6出口处的旋流强度与单角度扭带的最大旋流强度相当，旋流衰减和压损与单角度扭带的最小值相近；
进一步地，步骤四中圆柱入口垂直于壳体轴线指向轴心，切向起旋入口的设计基于阿基米德螺线模型：r＝a+bθ，取螺线与管道圆周切点处做螺线切线，与圆周切线组成入口边界；入口具体尺寸设计，要保证在两入口分别开启时单位时间内输入流量相同，多口壳体7圆柱段直径设计为内流管直径的1.5～3倍之间。
本发明的工作原理：
具体工作时，主流通过主入流口2进入内流管5，在锥面导流套9的引导下进入主出流口 10；外流通过多口壳体7底部的圆柱入口和切向起旋入口入流，在多螺纹底盖4的锥面引导下流入变升角扭带6，经扭带起旋后在多口壳体7的锥面引导下流入主出流口10与主流轴流汇合，在下游形成旋流输送效果。内流管5两端均可与多螺纹底盖4连接，从而切换变升角扭带6的升角为由大至小变化和由小至大变化两种状态。
(1)安装方法一：装置安装在垂直输送管道起始位置和易淤堵位置，安装内流管5，使得变升角扭带6升角由大至小变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701和第二圆柱入口702开启入流，第一切向起旋入口703和第二切向起旋入口704关闭；
工作状态一：装置安装在垂直输送管道起始位置和易淤堵位置，以合理的能耗发生高强度螺旋流。在带动颗粒形成螺旋式上升运动的同时，形成负压卷吸效果，从而大幅度加快颗粒起步；在起旋器出口形成高强度螺旋流，改变截面颗粒浓度分布和颗粒运动结构，从而降低淤堵风险；
具体工作过程：安装内流管5，使得变升角扭带6升角由大至小变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701和第二圆柱入口702开启入流，第一切向起旋入口703和第二切向起旋入口 704关闭，入口水流在多螺纹底盖4的锥面引导下进入变升角纽带6，在扭带引导下旋流强度逐渐增加，在变升角纽带6出口处形成较大强度的旋流，在多口壳体7的引导下与内流管5 内轴流混合，形成高强度螺旋流。
(2)安装方法二：装置安装在下游稳定输送区域，安装内流管5，使得变升角扭带6升角由小至大变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701和第二圆柱入口702关闭，第一切向起旋入口703和第二切向起旋入口704开启入流。
工作状态二：装置安装在下游稳定输送区域，输出稳定且衰减缓慢的周期性螺旋流，从而维持稳定的长距离周期性螺旋运动状态。
具体工作过程：安装内流管5，使得变升角扭带6升角由小至大变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701和第二圆柱入口702关闭，第一切向起旋入口703和第二切向起旋入口704 开启入流，在入口处形成高强度旋流，随后旋流在多螺纹底盖4的锥面402引导下进入变升角纽带6，在扭带引导下旋流拟序结构逐渐变化，在变升角纽带6出口处输出强度适中且旋流周期性强的稳定旋流，在多口壳体7的引导下与内流管5内轴流混合，形成稳定且衰减缓慢的周期性螺旋流。
本发明具有以下优点和有益效果：
1)在垂直水力输送过程中以合理能耗产生高强度旋流与主流进行混合，从而加快颗粒起步、降低淤塞风险、提高长距离输送效率，可安装在输送系统的起步区域、易瘀堵区域、稳定输送区域等不同区域，可实现多功能旋流发生效果。
2)安装在垂直输送管道起始位置，内流管按扭带上升角从大至小安装，圆柱入口开启，切向起旋入口关闭。以合理的能耗发生高强度螺旋流，在带动颗粒形成螺旋式上升运动的同时，形成负压卷吸效果，从而大幅度加快颗粒起步。
3)安装在垂直输送管道易淤堵位置，内流管按扭带上升角从大至小安装，圆柱入口开启，切向起旋入口关闭。以合理的能耗在起旋器出口形成高强度螺旋流，改变截面颗粒浓度分布和颗粒运动结构，从而降低淤堵风险。
4)安装在下游稳定输送区域，内流管按扭带上升角从小至大安装，切向起旋入口开启，圆柱入口关闭。输出稳定且衰减缓慢的周期性螺旋流，从而维持稳定的长距离周期性螺旋运动状态。
5)螺纹底盖和多口壳体采用内置V型毡圈的螺纹连接方式，保证极佳的密封性的同时，功能切换和结构拆装方便快捷；
6)多口壳体设有不同类型和作用的射流入口，分别用来实现入流后经扭带起旋和切向起旋后经扭带继旋的效果，结合扭带可实现多功能旋流发生效果，功能切换方便快捷。
7)内部扭带上升角设计为从大至小逐渐变化，从大至小安装过流时可使引导的旋流强度逐渐增强，在保证旋流输出强度的同时减少了旋流生成过程中的能量损耗；从小至大安装继旋时，可使流场得以平滑继旋的同时旋流强度衰减慢，实现长距离旋流输送效果。
8)内流管末端安装锥面导流套，从而引导发生的旋流与主流汇合于主流边界处，使得汇流过程更为平滑，流场稳定性强。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
图2(a)是30°扭带上升角示意图，
图2(b)是45°扭带上升角示意图，
图2(c)是60°扭带上升角示意图，
图3是起旋器顶端局部标注示意图，
图4是多螺纹底盖局部放大示意图，
图5是切向起旋入口的设计原理图，
图6是60°、45°、30°上升角扭带引导段旋流数示意图，
图7是各上升角扭带和60°-45°-30°变升角扭带的旋流场涡量对比示意图，
图8是各上升角扭带和60°-45°-30°变升角扭带的引导段总压对比示意图，
图9(a)是60°、45°、30°上升角扭带引导后流场的旋流数衰减值示意图，
图9(b)是60°、45°、30°上升角扭带引导后流场的旋流数衰减率示意图，
图10是本发明的设计路线图，
图中：1第一法兰盘、2主入流口、3V型密封油毡、4多螺纹底盖、5内流管、6变升角扭带、7多口壳体、8内流道、9锥面导流套、10主出流口、11第二法兰盘。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
如图1-图5所示，本发明的一种多口变强度的多功能起旋器，包括多口壳体7，所述多口壳体7为上端设有锥体，下端密封连接有开口的多螺纹底盖4的圆筒体，所述多口壳体7内设置有与所述多螺纹底盖4相连通的内流管5，所述内流管5的外壁上沿轴向固定设置有至少一个头的变升角扭带6，所述内流管5上端连接有锥面导流套9，所述多口壳体7上端锥体上设置有带外螺纹的圆筒口，圆筒口上螺纹连接有第二法兰盘11构成主出流口10，下端筒壁上设置有多个圆柱入口和多个切向起旋入口；所述多螺纹底盖4下端螺纹连接有第一法兰盘1构成主入流口2。
其中所述多螺纹底盖4的纵截面为二个相向并列且隔离的N字形，设有三处螺纹，直管段401外部设有用于连接第一法兰盘1的螺纹，直管段401内部设有用于连接内流管5的螺纹，锥面段402锥面与竖直方向夹角θ1在30°～60°范围内。锥面段402末端密封槽403内设有用于连接多口壳体7的螺纹，密封槽403内置有V型毡圈3。
所述圆柱入口为2个，包括径向对称设置的第一圆柱入口701和第二圆柱入口702。所述切向起旋入口为2个，包括径向对称设置的第一切向起旋入口703和第二切向起旋入口704。所述多口壳体7上端设有锥体的锥角θ2范围在20°～30°范围内。
所述变升角扭带6的上升角α从大到小分段逐渐变化，α范围在15°～60°之间。
所述锥面导流套9与内流管5采用螺纹连接，所述锥面导流套9的锥角θ3与θ2相联系，θ2-θ3＝9～15°。
具体实施时，主流通过主入流口2进入内流管5，在锥面导流套9的引导下进入主出流口10；外流通过多口壳体7底部的第一圆柱入口701和第一切向起旋入口703入流，在多螺纹底盖4的锥面引导下流入变升角扭带6，经扭带起旋后在多口壳体7的锥面引导下流入主出流口10与主流轴流汇合，在下游形成旋流输送效果。内流管5两端均可与多螺纹底盖4连接，从而切换变升角扭带6的升角为由大至小变化和由小至大变化两种状态。
具体实现三种功能：
(1)功能一：以合理的能耗发生高强度螺旋流，安装在垂直输送管道起始位置，扭带按上升角从大至小安装，圆柱入口开启，切向起旋入口关闭。以合理的能耗发生高强度螺旋流，在带动颗粒形成螺旋式上升运动的同时，形成负压卷吸效果，从而大幅度加快颗粒起步。
具体实施步骤：该实施过程中内流管5正向安装，使得变升角扭带6升角由大至小变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701、第二圆柱入口702开启入流，第一切向起旋入口703、第二切向起旋入口704关闭，入口水流在多螺纹底盖4的锥面引导下进入变升角纽带6，在扭带引导下旋流强度逐渐增加，在变升角纽带6出口处形成较大强度的旋流，在多口壳体7的引导下与内流管5内轴流混合，形成高强度螺旋流。
(2)功能二：以合理的能耗发生高强度螺旋流，安装在垂直输送管道易淤堵位置，扭带按上升角从大至小安装，第一圆柱入口701、第二圆柱入口702开启，第一切向起旋入口703、第二切向起旋入口704关闭。以合理的能耗在起旋器出口形成高强度螺旋流，改变截面颗粒浓度分布和颗粒运动结构，从而降低淤堵风险。
具体实施步骤：该实施过程中内流管5正向安装，使得变升角扭带6升角由大至小变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701、第二圆柱入口702开启入流，第一切向起旋入口703、第二切向起旋入口704关闭，入口水流在多螺纹底盖4的锥面引导下进入变升角纽带6，在扭带引导下旋流强度逐渐增加，在变升角纽带6出口处形成较大强度的旋流，在多口壳体7的引导下与内流管5内轴流混合，形成高强度螺旋流。
(3)功能三：输出稳定且衰减缓慢的周期性螺旋流，安装在下游稳定输送区域，扭带按上升角从小至大安装，切向起旋入口开启，圆柱入口关闭。输出稳定且衰减缓慢的周期性螺旋流，从而维持稳定的长距离周期性螺旋运动状态。
具体实施步骤：该实施过程中内流管5反向安装，使得变升角扭带6升角由小至大变化。多口壳体7上的第一圆柱入口701、第二圆柱入口702关闭，切向第一切向起旋入口703、第二切向起旋入口704开启入流，在入口处形成高强度旋流，随后旋流在多螺纹底盖4的锥面 402引导下进入变升角纽带6，在扭带引导下旋流拟序结构逐渐变化，在变升角纽带6出口处输出强度适中且旋流周期性强的稳定旋流，在多口壳体7的引导下与内流管5内轴流混合，形成稳定且衰减缓慢的周期性螺旋流。
具体地，在图2中给出了起旋扭带的结构示意图。为了具体地定量进行设计说明，取扭带的上升角α分别为60°、45°和30°，实际设计时可取更多数量和不同角度值，只需按从大至小顺序连接即可。
对于选定的60°、45°和30°上升角扭带，采用Solidworks进行三维建模将扭带安置在管道内，采用ICEM对流体域进行混合网格划分后，采用CFD软件Fluent进行数值计算，提取处理三个角度的引导段旋流数增长曲线如图6所示，横轴为无量纲距离，为引导长度与扭带直径(D)的比值。可以看出不同上升角扭带引导旋流强度具有一定的相似性，水流进入扭带后，旋流数先增加后下降一定值，最终趋于稳定。
在变升角扭带设计时，第一个角度即所选的最大上升角角度60°对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数增长至峰值所需距离，后续每个角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数从前一个角度的峰值点与当前角度的峰值之间的距离，60°上升角为1.67倍扭带直径(D)，45°上升角为1.18倍扭带直径(D)，30°上升角为1.94倍扭带直径(D)，将这三段进行拼接组合成变升角扭带，进行三维建模与数值计算，处理数据得到涡量分布云图，如图 7所示。
提取各扭带起旋段各截面压力数据进行无量纲化处理，公式如下：
式中，P*是无量纲总压，P是管道的总压，ρl和ul分别为流体密度和速度。
从图8可以看出，60°-45°-30°变升角扭带引导的旋流，在旋流强度远大于45°和60°上升角扭带的同时，压损远小于30°上升角扭带，能耗更为合理，从而实现功能一。
图9(a)是60°、45°、30°上升角扭带引导后流场的旋流数衰减示意图，将数据点进行非线性拟合，如下表1。
| 30°扭带 | 45°扭带 | 60°扭带 |
| S＝0.97178e<sup>-0.01835l/d</sup> | S＝0.57803e<sup>-0.01748l/d</sup> | S＝0.34395e<sup>-0.01493l/d</sup> |
对各式进行求导可比较旋流数衰减趋势，导数后公式如下表2所示。
| 30°扭带 | 45°扭带 | 60°扭带 |
| S＝-0.017832e<sup>-0.01835l/d</sup> | S＝0.010104e<sup>-0.01748l/d</sup> | S＝0.005135e<sup>-0.01493l/d</sup> |
绘制如图9(b)所示，显然旋流衰减速率从30°到60°依次降低，即60°上升角扭带衰减最慢。从而结合切向起旋入口实现功能二。
图5是切向起旋入口的设计原理图，基于阿基米德螺线对入口进行设计。切向起旋入口的设计基于阿基米德螺线模型：r＝a+bθ，取螺线705与管道圆周切点处做螺线切线706，与圆周切线707组成入口边界。
如图10所示，本发明的一种多口变强度的多功能起旋器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，根据管道输送工况起旋需求，判断起旋类型与起旋强度，在变升角扭带6上升角可取范围(15°～60°)内进一步缩小角度选择区间，在角度选择区间内确定两个及以上的上升角角度，对所选上升角的扭带管道进行三维建模，对几何模型进行网格划分后，对各扭带管道进行CFD数值计算以获得流场数据；
步骤二，处理步骤一得到的各扭带管道流场数据，绘制管道全程涡量云图，定量分析各上升角扭带的涡量级数，在步骤一选取的上升角角度中进一步确定两个及以上的上升角角度用以组成变升角扭带6；对确定的上升角角度对应的计算数据进行后处理，得到对应工况下流场旋流数和旋流数衰减率，将不同上升角扭带按上升角从大至小分段拼合为变升角扭带6，每一段扭带长度按旋流数数值来定量确定。
步骤三，对步骤二确定的变升角扭带6进行几何建模与CFD数值计算，比较变升角扭带 6的旋流强度、旋流衰减、压损等性能参数与步骤二中确定的单角度扭带性能参数的优劣，验证变升角扭带6的性能优异性，若未达到预期效果，更换步骤二所确定角度再次按顺序进行设计。
步骤四，在多口壳体7底部设计多对等间距分布的圆柱入口和切向起旋入口，切向起旋入口基于阿基米德螺线进行设计，具有稳定节能起旋效果，入口尺寸按照伯努利方程进行设计；多口壳体7末端设计有锥面，引导旋流与内部轴流在主出流口10平滑交汇。
步骤五，多螺纹底盖4纵截面设计为二个相向并列且隔离的N字形，设计有锥面段402，用以引导步骤四设计的多口壳体7的底部入口水流的流动，改变流场速度分布结构，锥面段 402与竖直方向夹角θ1在30°～60°范围内。
步骤六，将步骤三验证后的变升角扭带6焊接安装在内流管5上，内流管5两端设计有相同的螺纹连接段，可进行正反两种不同方式安装，一端连接多螺纹底盖4，一端安装锥面导流套9，锥面导流套9的收缩锥面与多口壳体锥面段夹角角度在9～15°区间内，与多口壳体 7末端锥面共同作用，引导旋流与内部轴流在主出流口10平滑交汇。
其中，步骤一所述的管道输送工况起旋需求包括粗颗粒加速起步、粗颗粒防淤堵、长距离稳定旋流输送；起旋类型包括高强度螺旋流和稳定周期性螺旋流，根据工况需求，确定所需的旋流强度与起旋类型，在15°～60°的可取范围内进一步对扭带上升角缩小区间，确定两个及以上的上升角角度；网格划分过程采用ICEM软件进行混合网格划分，含扭带区域划分为四面体非结构网格，其余区域划分为六面体结构化网格，将交接面在Fluent中设置为interface 进行计算域连接。
步骤二中采用Tecplot进行涡量云图绘制，将各管路云图数值范围与分级保持一致；对步骤二中进一步确定的两个及以上的上升角角度的计算数据进行流场旋流数处理，提取截面时均轴向和切向速度分布，按如下旋流数公式计算：
其中R为管道内径和管内扭带直径，r为截面任意一点距离管道和扭带中心线的距离，vA为该点处流体轴向速度，vt为该点处流体切向速度。随后采用Origin按指数函数对旋流数进行公式拟合，拟合残差保证在1E-5级别，随后对旋流数进行一阶求导得到旋流数衰减率公式。步骤二中的变升角扭带6的拼合设计，上升角从大至小拼合，第一个角度即所选的最大上升角角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数增长至峰值所需距离，后续每个角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数从前一个角度的峰值点与当前角度的峰值之间的距离。
步骤三中比较管道总压，在提取管道总压数值后，按如下公式进行无量纲化处理：
式中，P*是无量纲总压，P是管道的总压，ρl和ul分别为流体密度和速度。步骤三中比较变升角扭带6与所选的单角度扭带在旋流强度、旋流衰减、压损等性能参数方面的优势，体现在变升角扭带6出口处的旋流强度与单角度扭带的最大旋流强度相当，旋流衰减和压损与单角度扭带的最小值相近；
步骤四中圆柱入口垂直于壳体轴线指向轴心，切向起旋入口的设计基于阿基米德螺线模型：r＝a+bθ，取螺线与管道圆周切点处做螺线切线，与圆周切线组成入口边界；入口具体尺寸设计，要保证在两入口分别开启时单位时间内输入流量相同，多口壳体7圆柱段直径设计为内流管直径的1.5～3倍之间。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种多口变强度的多功能起旋器的设计方法，基于的多功能起旋器包括多口壳体(7)，所述多口壳体(7)为上端设有锥体，下端密封连接有开口的多螺纹底盖(4)的圆筒体，所述多口壳体(7)内设置有与所述多螺纹底盖(4)相连通的内流管(5)，所述内流管(5)的外壁上沿轴向固定设置有至少一个头的变升角扭带(6)，所述内流管(5)上端连接有锥面导流套(9)，所述多口壳体(7)上端锥体上设置有带外螺纹的圆筒口，圆筒口上螺纹连接有第二法兰盘(11)，下端筒壁上设置有多个圆柱入口和多个切向起旋入口；所述多螺纹底盖(4)下端螺纹连接有第一法兰盘(1)；
所述多螺纹底盖(4)的纵截面为二个相向并列且隔离的N字形，设有三处螺纹，直管段(401)外部设有用于连接第一法兰盘(1)的螺纹，直管段(401)内部设有用于连接内流管(5)的螺纹，锥面段(402)锥面与竖直方向夹角θ1在30°～60°范围内；锥面段(402)末端密封槽(403)内设有用于连接多口壳体(7)的螺纹，密封槽(403)内置有V型毡圈(3)；
所述圆柱入口为2个，包括径向对称设置的第一圆柱入口(701)和第二圆柱入口(702)；所述切向起旋入口为2个，包括径向对称设置的第一切向起旋入口(703)和第二切向起旋入口(704)；
所述多口壳体(7)上端设有锥体的锥角θ2范围在20°～30°范围内；所述锥面导流套(9)与内流管(5)采用螺纹连接，所述锥面导流套(9)的锥角θ3与所述多口壳体(7)上端设有锥体的锥角θ2相关联，θ2-θ3＝9～15°；
所述变升角扭带(6)的上升角α从大到小分段逐渐变化，α范围在15°～60°之间；
其特征在于：所述的设计方法包括以下步骤：
步骤一，根据管道输送工况起旋需求，判断起旋类型与起旋强度，在变升角扭带(6)上升角α可取范围15°～60°内进一步缩小角度选择区间，在角度选择区间内确定两个及以上的上升角α角度，对所选上升角的扭带管道进行三维建模，对几何模型进行网格划分后，对各扭带管道进行CFD数值计算以获得流场数据；
步骤二，处理步骤一得到的各扭带管道流场数据，绘制管道全程涡量云图，定量分析各上升角扭带的涡量级数，在步骤一选取的上升角角度中进一步确定两个及以上的上升角角度用以组成变升角扭带(6)；对确定的上升角角度对应的计算数据进行后处理，得到对应工况下流场旋流数和旋流数衰减率，将不同上升角扭带按上升角从大至小分段拼合为变升角扭带(6)，每一段扭带长度按旋流数数值来定量确定；
步骤三，对步骤二确定的变升角扭带(6)进行几何建模与CFD数值计算，比较变升角扭带(6)的旋流强度、旋流衰减、压损等性能参数与步骤二中确定的单角度扭带性能参数的优劣，验证变升角扭带(6)的性能优异性，若未达到预期效果，更换步骤二所确定角度再次按顺序进行设计；
步骤四，在多口壳体(7)底部设计多对等间距分布的第一圆柱入口(701)和第二圆柱入口(702)以及第一切向起旋入口(703)和第二切向起旋入口(704)，其中第一切向起旋入口(703)和第二切向起旋入口(704)基于阿基米德螺线进行设计，具有稳定节能起旋效果，入口尺寸按照伯努利方程进行设计；多口壳体(7)末端设计有锥面，引导旋流与内部轴流在主出流口(10)平滑交汇；
步骤五，多螺纹底盖(4)纵截面设计为二个相向并列且隔离的N字形，设计有锥面段(402)，用以引导步骤四设计的多口壳体(7)的底部入口水流的流动，改变流场速度分布结构，锥面段(402)与竖直方向夹角θ1在30°～60°范围内；
步骤六，将步骤三验证后的变升角扭带(6)焊接安装在内流管(5)上，内流管(5)两端设计有相同的螺纹连接段，可进行正反两种不同方式安装，一端连接多螺纹底盖(4)，一端安装锥面导流套(9)，锥面导流套(9)的收缩锥面与多口壳体锥面段夹角角度在9～15°区间内，与多口壳体(7)末端锥面共同作用，引导旋流与内部轴流在主出流口(10)平滑交汇。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤一所述的管道输送工况起旋需求包括粗颗粒加速起步、粗颗粒防淤堵、长距离稳定旋流输送；起旋类型包括高强度螺旋流和稳定周期性螺旋流，根据工况需求，确定所需的旋流强度与起旋类型，在15°～60°的可取范围内进一步对扭带上升角缩小区间，确定两个及以上的上升角角度；网格划分过程采用ICEM软件进行混合网格划分，含扭带区域划分为四面体非结构网格，其余区域划分为六面体结构化网格，将交接面在Fluent中设置为interface进行计算域连接。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤二中采用Tecplot进行涡量云图绘制，将各管路云图数值范围与分级保持一致；对步骤二中进一步确定的两个及以上的上升角角度的计算数据进行流场旋流数处理，提取截面时均轴向和切向速度分布，按如下旋流数公式计算：
其中R为管道内径和管内扭带直径，r为截面任意一点距离管道和扭带中心线的距离，vA为该点处流体轴向速度，vt为该点处流体切向速度；随后采用Origin按指数函数对旋流数进行公式拟合，拟合残差保证在1E-5级别，随后对旋流数进行一阶求导得到旋流数衰减率公式；步骤二中的变升角扭带(6)的拼合设计，上升角从大至小拼合，第一个角度即所选的最大上升角角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数增长至峰值所需距离，后续每个角度对应的扭带长度，为该角度扭带引导的旋流数从前一个角度的峰值点与当前角度的峰值之间的距离。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤三中比较管道总压，在提取管道总压数值后，按如下公式进行无量纲化处理：
式中，P*是无量纲总压，P是管道的总压，ρl和ul分别为流体密度和速度；步骤三中比较变升角扭带(6)与所选的单角度扭带在旋流强度、旋流衰减、压损等性能参数方面的优势，体现在变升角扭带(6)出口处的旋流强度与单角度扭带的最大旋流强度相当，旋流衰减和压损与单角度扭带的最小值相近。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤四中圆柱入口垂直于壳体轴线指向轴心，切向起旋入口的设计基于阿基米德螺线模型：r＝a+bθ，取螺线与管道圆周切点处做螺线切线，与圆周切线组成入口边界；入口具体尺寸设计，要保证在两入口分别开启时单位时间内输入流量相同，多口壳体(7)圆柱段直径设计为内流管直径的1.5～3倍之间。
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