CN113137737A - 一种通风管道 - Google Patents

Abstract

一种通风管道，整体呈两端开口的空心四棱柱结构，包括依次同轴设置的进风段、变径段和出风段，通风管道内的风向由进风段到变径段再到出风段，进风段和出风段的径向截面均为矩形，变径段包括相对设置的第一凹面和第二凹面，第一凹面的母线和第二凹面的母线轴对称，第一凹面的母线如式

变径段还包括相对设置的第一凸面和第二凸面，第一凸面的母线和第二凸面的母线轴对称。通过对部件结构的合理设置，通过对第一凹面母线和第二凹面母线的优化，同时配合第一凸面和第二凸面，减小变径湍流最大处的边界层高度，降低变径的能量耗散，减阻率最高可达50.61％；填补目前通风管变径结构研究的空白，为通风系统的减阻拓展新思路，为相关手册的制定提供新的依据。

Description

一种通风管道

技术领域

本发明属于通风管道降阻技术领域，具体涉及一种通风管道。

背景技术

由于经济增长及人民生活水平的提高，建筑行业已成为全球耗能最大的行 业，建筑耗能约占全球总能耗的三分之一以上，部分发达国家占比甚至超过 40％。随着人们不断关注建筑本身的功能性和舒适性，通风空调系统已成为现 代建筑不可或缺的组成部分，然而通风空调在建筑能耗中的占比不断升高，现 约占30-50％，而其中的风机能耗又占了通风系统能耗的30-50％。因此，降低 通风空调系统能耗，提高通风空调系统能效，已成为现阶段迫在眉睫的主要问 题之一。

目前通过改变局部构件形式达到通风空调系统减阻降耗的目的多有研究， 如针对阀门的相关研究、分流三通的相关研究、汇流三通的相关研究、导流叶 片的相关研究以及弯头的相关研究等；为继续完善局部构件系列研究，本发明 致力于变径的减阻研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通风管道，通过对部件结构的合 理设置，通过对第一凹面母线和第二凹面母线的优化，同时配合第一凸面和第 二凸面，减小了变径湍流最大处的边界层高度，从而降低了变径的能量耗散， 减阻率最高可达50.61％；填补目前通风管变径结构研究中的空白，为通风系统 的减阻拓展了新思路，并且为相关手册的制定提供了新的依据。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：

一种通风管道，整体呈两端开口的空心四棱柱结构，包括依次同轴设置的 进风段、变径段和出风段，通风管道内的风向由进风段到变径段再到出风段， 进风段和出风段的径向截面均为矩形，变径段包括相对设置的第一凹面和第二 凹面，第一凹面的母线和第二凹面的母线轴对称，第一凹面的母线如式(1)；

其中，坐标轴的原点为第二凹面的母线进风端，x轴为通风管道内的风向、 y轴为第二凹面的母线进风端到第一凹面的母线进风端的连线；a表示第一凹 面的母线进风端到第二凹面的母线进风端的距离，b表示第一凹面的母线出风 端到第二凹面的母线出风端的距离，l表示变径段的轴线长；a大于b，a、b 和l的单位均为mm；tanθ表示第一凹面的母线中点处的斜率值，θ表示第一 凹面的母线中点处切线的角度；

变径段还包括相对设置的第一凸面和第二凸面，第一凸面的母线和第二凸 面的母线轴对称。

优选的，第一凸面的母线的曲率半径为8.91D-20D，第一凹面的母线进风 端到第二凹面的母线进风端的距离a为1.28D-2D，第一凹面的母线出风端到第 二凹面的母线出风端的距离b为1D-5D，变径段的轴线长l为1.14D-3.76D， 第一凹面的母线中点处的斜率值tanθ为(-0.276，-0.112)；

其中，D为第一凸面的母线进风端到第二凸面的母线进风端的距离，D也 为第一凸面的母线出风端到第二凸面的母线出风端的距离。

优选的，第一凸面的母线的曲率半径为10D，第一凹面的母线进风端到第 二凹面的母线进风端的距离a为1.28D，第一凹面的母线出风端到第二凹面的 母线出风端的距离b为1D，变径段的轴线长l为1.6D，第一凹面的母线中点 处的斜率值tanθ为-0.122。

优选的，第一凸面的母线进风端到第二凸面的母线进风端的距离D为 120mm-500mm。

优选的，第一凸面的母线进风端到第二凸面的母线进风端的距离D为 250mm。

优选的，进风段内的送风风速为3m/s—13m/s。

优选的，进风段内的送风风速为4m/s。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明的通风管道，通过对部件结构的合理设置，通过对第一凹面母 线和第二凹面母线的优化，同时配合第一凸面和第二凸面，减小了变径湍流最 大处的边界层高度，从而降低了变径的能量耗散，减阻率最高可达50.61％。

(2)本发明的通风管道，通过对部件结构的合理设置，在不同风速(3m/s —13m/s)下的通风管道相对于传统通风管道的减阻程度十分明显，局部减阻 率范围为27.53％-50.61％。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下 面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明通风管道的结构示意图；

图2为图1中变径段的结构示意图；(其中，图2a是变径段的主视图；图 2b是变径段的俯视图；图2c是变径段的右视图)

图3为图2a中第一曲面母线的坐标优化示意图；

图4为对比例的全尺寸实验对比图；

图5为对比例的局部阻力系数实验对比图；

图6为对比例的减阻率对比图；

图7为对比例的湍流耗散对比图；(其中，图7a是实施例1与传统变径横 截面中能量耗散对比图，图7b是实施例1与传统变径纵截面中能量耗散对比 图)

图8为对比例中传统通风管道的结构示意图(其中，图8a是传统通风管道 的立体图，图8b是图8a中变径段的主视图，图8c是图8a中变径段的俯视图)。 图中各标号表示为：

1进风段；2变径段；2-1第一凹面；2-2第二凹面；2-3第一凸面；2-4第 二凸面；3出风段；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不 是限定。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开， 并不用于限制本公开。

一种通风管道，整体呈两端开口的空心四棱柱结构，包括依次同轴设置的 进风段1、变径段2和出风段3，通风管道内的风向由进风段1到变径段2再 到出风段3，进风段1和出风段3的径向截面均为矩形，变径段2包括相对设 置的第一凹面2-1和第二凹面2-2，第一凹面2-1的母线和第二凹面2-2的母 线轴对称，第一凹面2-1的母线如式(1)；

其中，坐标轴的原点为第二凹面2-2的母线进风端，x轴为通风管道内的 风向、y轴为第二凹面2-2的母线进风端到第一凹面2-1的母线进风端的连线； a表示第一凹面2-1的母线进风端到第二凹面2-2的母线进风端的距离，b表 示第一凹面2-1的母线出风端到第二凹面2-2的母线出风端的距离，l表示变 径段2的轴线长；a大于b，a、b和l的单位均为mm；tanθ表示第一凹面2-1 的母线中点处的斜率值，θ表示第一凹面2-1的母线中点处切线的角度；

变径段2还包括相对设置的第一凸面2-3和第二凸面2-4，第一凸面2-3 的母线和第二凸面2-4的母线轴对称；

其作用为：由进风段1自由端向通风管道内腔送风，气流依次通过变径段 2和出风段3；通过对第一凹面2-1母线和第二凹面2-2母线的优化，同时配 合第一凸面2-3和第二凸面2-4，减小了变径湍流最大处的边界层高度，从而 降低了变径的能量耗散，减阻率最高可达50.61％。

具体的，第一凸面2-3的母线的曲率半径为8.91D-20D，第一凹面2-1的 母线进风端到第二凹面2-2的母线进风端的距离a为1.28D-2D，第一凹面2-1 的母线出风端到第二凹面2-2的母线出风端的距离b为1D-5D，变径段2的轴 线长l为1.14D-3.76D，第一凹面2-1的母线中点处的斜率值tanθ为(-0.276， -0.112)；

其中，D为第一凸面2-3的母线进风端到第二凸面2-4的母线进风端的距 离，D也为第一凸面2-3的母线出风端到第二凸面2-4的母线出风端的距离；

其作用为：由进风段1自由端向通风管道内腔送风，气流依次通过变径段 2和出风段3；通过对第一凹面2-1母线和第二凹面2-2母线的优化，同时配 合第一凸面2-3和第二凸面2-4，减小了变径湍流最大处的边界层高度，从而 降低了变径的能量耗散，减阻率最高可达50.61％。

具体的，第一凸面2-3的母线的曲率半径为10D，第一凹面2-1的母线进 风端到第二凹面2-2的母线进风端的距离a为1.28D，第一凹面2-1的母线出 风端到第二凹面2-2的母线出风端的距离b为1D，变径段2的轴线长l为1.6D， 第一凹面2-1的母线中点处的斜率值tanθ为-0.122。

具体的，第一凸面2-3的母线进风端到第二凸面2-4的母线进风端的距离 D为120mm-500mm。

具体的，第一凸面2-3的母线进风端到第二凸面2-4的母线进风端的距离 D为250mm。

具体的，进风段1内的送风风速为3m/s—13m/s；

其作用为：在不同风速(3m/s—13m/s)下本实施例的通风管道相对于传 统通风管道的减阻程度十分明显，局部减阻率范围为27.53％-50.61％。

具体的，进风段1内的送风风速为4m/s。

实施例1

本实施例提出的一种新型变径装置，如图1—图3所示，具体包括依次同 轴设置的进风段1、变径段2和出风段3，通风管道内的风向由进风段1到变 径段2再到出风段3，进风段1和出风段3的径向截面均为矩形，变径段2包 括相对设置的第一凹面2-1和第二凹面2-2，第一凹面2-1的母线和第二凹面 2-2的母线轴对称，第一凹面2-1的母线如式(1)；变径段2还包括相对设置 的第一凸面2-3和第二凸面2-4，第一凸面2-3的母线和第二凸面2-4的母线 轴对称；

其中，坐标轴的原点为第二凹面2-2的母线进风端，x轴为通风管道内的 风向、y轴为第二凹面2-2的母线进风端到第一凹面2-1的母线进风端的连线； a表示第一凹面2-1的母线进风端到第二凹面2-2的母线进风端的距离，b表 示第一凹面2-1的母线出风端到第二凹面2-2的母线出风端的距离，l表示变 径段2的轴线长；a大于b，a、b和l的单位均为mm；tanθ表示第一凹面2-1 的母线中点处的斜率值，θ表示第一凹面2-1的母线中点处切线的角度。

其中，第一凸面2-3的母线的曲率半径为10D，第一凹面2-1的母线进风 端到第二凹面2-2的母线进风端的距离a为1.28D，第一凹面2-1的母线出风 端到第二凹面2-2的母线出风端的距离b为1D，变径段2的轴线长l为1.6D， 第一凹面2-1的母线中点处的斜率值tanθ为-0.122；第一凸面2-3的母线进 风端到第二凸面2-4的母线进风端的距离D为250mm。

其中，进风段1内的送风风速为3m/s—13m/s(优选4m/s)。

对比例

本对比例选用传统通风管道，传统通风管道为《金属管道设计规范GB 50316-2000》中的双面偏变径，包括依次同轴设置且径向截面依次减小的进风 段01、变径段02和出风段03，如图8所示；变径段02的长度l为400mm，变 径段02包括相对设置的第一斜面021和第二斜面022，第一斜面021的母线和 第二斜面022的母线轴对称，且第一斜面021与水平面的夹角α为10°，第一 斜面021的母线进风端到第二斜面022的母线进风端的距离a为320mm，第一 斜面021的母线出风端到第二斜面022的母线出风端的距离b为250mm；变径 段02还包括相对且平行设置的第一平面023和第二平面024，第一平面023和 第二平面024间的距离D为250mm。

(1)将传统通风管道与实施例1的通风管道进行全尺寸试验。

下图4所示为本发明空调系统局部构件的全尺寸实验测试台。实验台由镀 锌铁皮风管、软连接、变径、静压箱、均流板、优化变径、调节阀门组成。为 保证气流均匀，在距风机后加装了静压箱以及均流板，并在实验台的最末端装 置了调节阀来调节风量的大小。为保证整个实验过程不漏风，风管之间采用法 兰连接并且空隙处采用泡沫胶密封。

实验中的风机为可调节转速风机，实验中通过调节风机转速的大小来控制 变径入口的风速。

(1.1)将传统通风管道与实施例1的通风管道进行局部阻力系数测试试 验的对比

本次实验将测试断面设置在距离变径段2前后各5米处，如图4所示，测 试面包括测试面A和测试面B,为解决测试准确性问题，本实验将测量前测试面 A分成15个全等的小矩形，后测试面B分成12个全等的小矩形。每个小矩形 的中心线的交叉点为测量点，每个测试点测量五次，计算得出每个测点的一次 平均值，将测试面上15个测点的一次平均值再平均，得到二次平均值，则该 平均值为测试面的压力值。

实验采用TSI热线风速仪测量空气流速，采用EY-200A智能数字微压计测 量全压，两种仪器的测量范围及精度见下表1。

表1测试仪器测量范围及精度

表2测试面A和测试面B在不同风速下的压力值

变径段2阻力系数ζ的计算公式如下：

其中，Δp表示测试断面A与测试断面D的压力差，单位pa；p_l表示直管 的沿程阻力损失(及沿程压差)，单位pa；p_d表示对应风速下的动压；

其中，阻力系数ζ标准误差如下：

其中，σ_ζ表示局部阻力系数的标准误差，ζ_i表示第i个测量点局部阻力误 差＝局部阻力系数值-局部阻力系数平均值；n为各阻力测量点；

在风速为7-12m/s下，通过实验测得的新型变径装置与传统通风管道的前 后测试断面压力差Δp以及p_l值，如下表2所示：

表3传统通风管道以及新型变径测试断面压力差Δp以及p_l值

如图5，结果表明，无论是新型变径还是传统通风管道，通过实验测得的 局部阻力系数与通过数值模拟计算得出的局部阻力系数具有良好的吻合性；由 下图可以看出，根据数值模拟计算得出的局部阻力系数随风速的改变其值变化 不大，稳定在0.099-0.1之间，但通过实验测得的局部阻力系数会随着风速的 改变产生一定的变化，传统通风管道、优化变径的局部阻力系数变化范围分别 在(0.095-0.105)和(0.067-0.076)的范围内。随着风速的变化新型变径的 局部阻力系数远低于传统通风管道，同时减阻率(减阻率代表实施例1相较传 统变径的局部阻力系数降低率，减阻率越接近100％，代表实施例1的局部阻力 系数越低)在风速为4m/s的情况下最高，减阻率在风速为6m/s的情况下最低、 且随着风速的提高逐渐变大。由此可以证明，新型变径在实际应用中减阻效果 较为明显，而且风速越高减阻效果越明显。

(1.2)风速对新型变径减阻率的影响

如图6所示，在风速为3-13m/s下，新型变径装置的减阻效果相对于传统 通风管道而言，都相对明显。减阻率分别为27.53％-50.61％。

产生这种情况的原因是由于小风速时流体运动状态处于湍流过渡区，阻力 系数与雷诺数有关。而随着风速的变大，流体处于完全湍流区，阻力系数与雷 诺数无关。因此就产生了图中在小风速范围内，减阻率随风速的改变变化巨大， 而在大风速下，减阻率随风速的改变变化不大。

(2)新型变径与传统通风管道湍流耗散分析

在国内外其他学者及课题组对管道阻力的研究可知，局部构件中的阻力主 要是由能量耗散所致，因此只要消减或控制能量耗散，就可达到减阻的目的。 本文通过模拟软件Ansys18.0模拟能量耗散场，观察了优化前后变径内的能量 耗散场如图7。由图7(a)横剖面对比图可看出，优化变径的能量耗散场小于 传统通风管道的能量耗散场，以a＝0.315m高度为界，即在y≥0.315m后，优 化变径的能量耗散高度小于传统通风管道的能量耗散高度；

图7(b)中的耗散云图与线图都可反映出，未经优化的变径能量耗散值随 着管长变化在0.007m²/s³-0.008m²/s³范围内，而优化变径的能量耗散值随着 管长的改变总体稳定在0.006m²/s³。这是由于优化变径的曲线形式为具有上下 平台段以及中间平滑过度段的S型曲线，对比传统通风管道直线连接方式，优 化曲线弱化了连接处的流体形变，减小了流体的速度梯度，故而达到降低能量 耗散减小阻力的效果。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于 上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技 术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征， 在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重 复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。

Claims (7)

1.一种通风管道，整体呈两端开口的空心四棱柱结构，包括依次同轴设置的进风段(1)、变径段(2)和出风段(3)，通风管道内的风向由进风段(1)到变径段(2)再到出风段(3)，所述进风段(1)和出风段(3)的径向截面均为矩形，其特征在于，所述变径段(2)包括相对设置的第一凹面(2-1)和第二凹面(2-2)，所述第一凹面(2-1)的母线和第二凹面(2-2)的母线轴对称，所述第一凹面(2-1)的母线如式(1)；

其中，坐标轴的原点为第二凹面(2-2)的母线进风端，x轴为通风管道内的风向、y轴为第二凹面(2-2)的母线进风端到第一凹面(2-1)的母线进风端的连线；

其中，a表示第一凹面(2-1)的母线进风端到第二凹面(2-2)的母线进风端的距离，b表示第一凹面(2-1)的母线出风端到第二凹面(2-2)的母线出风端的距离，l表示变径段(2)的轴线长；a大于b，a、b和l的单位均为mm；tanθ表示第一凹面(2-1)的母线中点处的斜率值，θ表示第一凹面(2-1)的母线中点处切线的角度；

变径段(2)还包括相对设置的第一凸面(2-3)和第二凸面(2-4)，第一凸面(2-3)的母线和第二凸面(2-4)的母线轴对称。

2.如权利要求1所述的通风管道，其特征在于，第一凸面(2-3)的母线的曲率半径为8.91D-20D，第一凹面(2-1)的母线进风端到第二凹面(2-2)的母线进风端的距离a为1.28D-2D，第一凹面(2-1)的母线出风端到第二凹面(2-2)的母线出风端的距离b为1D-5D，变径段(2)的轴线长l为1.14D-3.76D，第一凹面(2-1)的母线中点处的斜率值tanθ为(-0.276，-0.112)；

其中，D为第一凸面(2-3)的母线进风端到第二凸面(2-4)的母线进风端的距离，D也为第一凸面(2-3)的母线出风端到第二凸面(2-4)的母线出风端的距离。

3.如权利要求2所述的通风管道，其特征在于，第一凸面(2-3)的母线的曲率半径为10D，第一凹面(2-1)的母线进风端到第二凹面(2-2)的母线进风端的距离a为1.28D，第一凹面(2-1)的母线出风端到第二凹面(2-2)的母线出风端的距离b为1D，变径段(2)的轴线长l为1.6D，第一凹面(2-1)的母线中点处的斜率值tanθ为-0.122。

4.如权利要求1-3任一所述的通风管道，其特征在于，所述第一凸面(2-3)的母线进风端到第二凸面(2-4)的母线进风端的距离D为120mm-500mm。

5.如权利要求4所述的通风管道，其特征在于，所述第一凸面(2-3)的母线进风端到第二凸面(2-4)的母线进风端的距离D为250mm。

6.如权利要求5所述的通风管道，其特征在于，所述进风段(1)内的送风风速为3m/s—13m/s。

7.如权利要求6所述的通风管道，其特征在于，所述进风段(1)内的送风风速为4m/s。

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