CN112149248A - 一种均匀流场发生器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均匀流场发生器的设计方法，来自流体源的流体经过热湿调节后进入一次分配管，经一次分配管分配，从一次分配孔进入二次分配管，从二次分配管上的二次分配孔射出，形成射流阵列，在到达工作对象之前形成均匀的速度场，一次分配管截面变化按流量均匀分配设计方法设计，其壁面开设许多中心距相等、流通面积相等的一次分配孔；一次分配孔与二次分配管联通，所述二次分配管进口流道的形状和大小与其所联通的一次分配孔完全吻合，每一个一次分配孔对应一根二次分配管，二次分配管壁面开设许多按流量均匀分配设计方法设计的二次分配孔，使得流体流出二次分配孔，在到达工作对象时形成均匀的速度场和温度场。

Description

一种均匀流场发生器的设计方法
技术领域
本发明提供一种均匀流场发生器的设计方法，属于热流体系统技术领域。
背景技术
在热流体系统技术领域，例如空调通风、制冷系统、热环境试验、电子设备冷却、飞行器环境控制等技术领域，需要使流体送到工作对象时流场均匀。例如：在空调通风领域，需要对房间或工作区均匀送风；在电子设备喷射冷却时，需要液体或气液两相流流到达电子设备表面换热均匀；在热环境试验领域，需要对试验对象表面形成均匀的温度场和速度场。对于大型试验件，表面积很大，试验件外表面流场模拟的均匀性成为难点。
一种尝试是采用变截面分配管技术。然而，现有的变截面分配管设计方法存在重要缺陷，主要是流量均匀分配设计方法不明确，不但公式多且复杂，而且不严谨，例如局部阻力损失计算误差大。所以不但具体实施难以操作，而且局部阻力损失考虑不当，计算误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀流场发生器的设计方法，以解决现有变截面一次分配管设计技术中，流量均匀分配设计方法不明确，公式多而复杂且不严谨，局部阻力损失计算误差大等问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种均匀流场发生器的设计方法，所述发生器包括：一次分配管和二次分配管，各一次分配管均配有若干个二次分配管，一次分配管截面变化按流量均匀分配设计方法设计，其壁面开设有若干个中心距相等、流通面积相等的一次分配孔，二次分配管进口流道形状和流通面积大小与一次分配孔吻合且联通，以焊接、卡箍连接、法兰连接等方式密封固结，二次分配管末端封闭；所述流量均匀分配设计方法为：
Figure BDA0002682142560000011
Figure BDA0002682142560000012
Figure BDA0002682142560000013
Figure BDA0002682142560000021
式中：Ai-为第i个孔上游的流道横截面积；Ai+为第i个孔下游的流道横截面积；i表示第i个孔；n为管总开孔数；对于单端流入L为分配管长，对于双端流入L为分配管长的二分之一；Di为第i个孔位置分配管的当量直径；Rei为第i个孔上游雷诺数；常数C对于空气取值1，对于其他流体，由试验确定。
进一步地，所述二次分配管为变截面，其截面变化按流量均匀分配设计方法设计，其壁面开设有若干个中心距相等、流通面积相等的二次分配孔，所述二次分配管截面变化的流量均匀分配设计方法与所述一次分配管截面变化的流量均匀分配设计方法相同。
进一步地，所述二次分配管为等截面，其壁面开设的二次分配孔沿长度方向交错分布或一字分布，孔中心距相等，孔面积按下式定义的流量均匀分配设计方法设计：
Figure BDA0002682142560000022
式中：A1为第一个孔的面积，Ai为从上游到下游第i个孔的面积；l为二次分配管的长；Dc为二次分配管的当量直径；Ac为二次分配管的流通面积；m为二次分配管的二次分配孔数；μ为孔流量系数；ξi按式(3)计算，其中B用下式确定：
Figure BDA0002682142560000023
进一步地，所述二次分配管为等截面，其壁面开设的二次分配孔流通面积相等，孔中心距按流量均匀分配设计方法设计；二次分配孔沿二次分配管长度方向交错分布或一字分布；所述的设计孔中心距的流量均匀分配设计方法为：
Figure BDA0002682142560000024
式中：Δxi为从上游到下游第i个孔与第i-1个孔之间的距离；A为二次分配孔的流通面积。
进一步地，所述一次分配管、二次分配管的截面为连续性变化或阶梯型变化。
来自流体源的流体(气体、液体或气液两相流)可以从一次分配管的一端进入一次分配管，也可以从一次分配管的两端进入一次分配管；从一次分配管一端进入一次分配管时，一次分配管的末端封闭。在进入一次分配管之前，根据工作对象需要，可进行温度调控，在需要热流体时加热单元工作，在需要冷流体时制冷单元工作。
本发明的有益效果：
(1)本发明解决了现有技术流量均匀分配设计方法不具体，压力损失计算方法没有考虑局部压力损失的影响，更没有局部压力损失的计算方法的问题，为获得流量均匀分配在设计方法上提供了保证。
(2)本发明中的二次分配管向外提供流体时，可形成中心线平行或以一定角度交叉的射流阵列，以均匀流量垂直吹向工作对象，在到达工作对象之前，形成均匀的速度场和温度场，达到流场的均匀分布。
附图说明
图1为本发明的发生器一次分配管截面连续变化且两端流入的结构示意图。
图2为二次分配孔变孔径、等中心距时图1的A向视图。
图3为二次分配孔等孔径、变中心距时图1的A向视图。
图4为二次分配管与一次分配管的连接处设置调节阀型流量调节装置时图1的A向视图。
图5为二次分配管单边布置时图1的A向视图。
图6为二次分配孔交错分布时图1的A向视图。
图7为本发明的发生器一次分配管截面阶梯型变化且单端流入的示意图。
图中：1为一次分配管，2为二次分配管，3为一次分配孔，4为二次分配孔，5为流体源，6为控制阀，7为加热单元，8为制冷单元，9为流量调节装置。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本发明的一种均匀流场发生器的设计方法，包括：一次分配管1和二次分配管2，各一次分配管1均配有若干个二次分配管2，一次分配管1截面变化按流量均匀分配设计方法设计，其壁面开设有若干个中心距相等、流通面积相等的一次分配孔3。二次分配管2进口流道形状和流通面积大小与一次分配孔3吻合且联通，以焊接、卡箍连接、法兰连接等方式密封固结，其末端封闭。来自流体源5的流体，依次经过控制阀6、加热单元7和制冷单元8，然后进入一次分配管1，经一次分配管1分配，进入与一次分配孔3连通的二次分配管2，从二次分配孔4射出；
所述流量均匀分配设计方法为：
Figure BDA0002682142560000031
Figure BDA0002682142560000041
Figure BDA0002682142560000042
Figure BDA0002682142560000043
式中：Ai-为第i个孔上游的流道横截面积；Ai+为第i个孔下游的流道横截面积；i表示第i个孔；n为管总开孔数；对于单端流入L为分配管长，对于双端流入L为分配管长的二分之一；Di为第i个孔位置分配管的当量直径；Rei为第i个孔上游雷诺数；常数C对于空气取值1，对于其他流体，由试验确定。
流体在进入一次分配管之前，根据工作对象需要，可进行温度调控，在需要热流体时加热单元7工作，在需要冷流体时制冷单元8工作。
如图1所示的一种均匀流场发生器，一次分配管截面连续变化，从两端流入；一次分配管截面变化的设计方法为上述式(1)至式(4)。二次分配管2布置方式和二次分配孔4布置方式有很多种，优选的几种方式如图2至图6所示。
图2所示，二次分配孔4中心距相等，孔径按下式定义的流量均匀分配设计方法设计：
Figure BDA0002682142560000044
式中：A1为第一个孔的面积，Ai为从上游到下游第i个孔的面积；l为二次分配管(2)的长；Dc为二次分配管2的当量直径；Ac为二次分配管2的流通面积；m为二次分配管2的二次分配孔数；μ为孔流量系数；λi按式(2)确定；ξi按式(3)确定，其中B用下式确定：
Figure BDA0002682142560000045
图3所示的具体实施方式中，二次分配孔4孔径相等，孔中心距按下式定义的流量均匀分配设计方法设计：
Figure BDA0002682142560000046
式中：Δxi为从上游到下游第i个孔与第i-1个孔之间的距离；A为二次分配孔的流通面积。
图4所示的具体实施方式中，二次分配管2与一次分配管1的连接处设置流量调节装置9，所述流量调节装置9为调节阀；流量调节装置也可以是其他形式，如孔板等。
图5所示的具体实施方式中，二次分配管2单边布置。
图6所示的具体实施方式中，二次分配孔4交错分布。
图7所示的一种均匀流场发生器，一次分配管1截面阶梯型变化，单端流入；单端流入时，一次分配管末端封闭。一次分配管截面变化的设计方法为式(1)至式(4)。
二次分配管2也可以是变截面，连续性变化，或阶梯型变化，类似于图2和图7所示的一次分配管1的截面变化。截面变化的设计方法为式(1)至式(4)。按此设计方法，各二次分配孔4流通面积相等，孔中心距相等。
本发明具体应用途径很多，比如一次分配管(1)和二次分配管(2)的截面不仅可以是圆形、方形或矩形，也可以是梯形和多边形。又如一次分配管(1)和二次分配管(2)所开设的孔不仅可以是圆形、方形和矩形，也可以是梯形和多边形。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种均匀流场发生器的设计方法，其特征在于，包括：一次分配管和二次分配管，各一次分配管均配有若干个二次分配管，一次分配管截面变化按流量均匀分配设计方法设计，其壁面开设有若干个中心距相等、流通面积相等的一次分配孔，所述流量均匀分配设计方法为：
Figure FDA0002682142550000011
Figure FDA0002682142550000012
Figure FDA0002682142550000013
Figure FDA0002682142550000014
式中：Ai-为第i个孔上游的流道横截面积；Ai+为第i个孔下游的流道横截面积；i表示第i个孔；n为管总开孔数；对于单端流入L为分配管长，对于双端流入L为分配管长的二分之一；Di为第i个孔位置分配管的当量直径；Rei为第i个孔上游雷诺数；C为常数。
2.根据权利要求1所述的一种均匀流场发生器的设计方法，其特征在于，所述二次分配管为变截面，其截面变化按流量均匀分配设计方法设计，其壁面开设有若干个中心距相等、流通面积相等的二次分配孔，所述二次分配管截面变化设计的流量均匀分配设计方法与所述一次分配管截面变化的流量均匀分配设计方法相同。
3.根据权利要求1所述的一种均匀流场发生器的设计方法，其特征在于，所述二次分配管为等截面，其壁面开设的二次分配孔沿长度方向交错分布或一字分布，孔中心距相等，孔面积按下式定义的流量均匀分配设计方法设计：
Figure FDA0002682142550000015
式中：A1为第一个孔的面积，Ai为从上游到下游第i个孔的面积；l为二次分配管的长；Dc为二次分配管的当量直径；Ac为二次分配管的流通面积；m为二次分配管的二次分配孔数；μ为孔流量系数；ξi按式(3)计算，其中B用下式确定：
Figure FDA0002682142550000021
4.根据权利要求1所述的一种均匀流场发生器的设计方法，其特征在于，所述二次分配管为等截面，其壁面开设的二次分配孔流通面积相等，孔中心距按流量均匀分配设计方法设计；二次分配孔沿二次分配管长度方向交错分布或一字分布；所述的设计孔中心距的流量均匀分配设计方法为：
Figure FDA0002682142550000022
式中：Δxi为从上游到下游第i个孔与第i-1个孔之间的距离；A为二次分配孔的流通面积。
5.根据权利要求1所述的一种均匀流场发生器的设计方法，其特征在于，所述一次分配管、二次分配管的截面为连续性变化或阶梯型变化。
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