CN116562093A - 低阻力高分流均匀性分集水器选型方法及其装置 - Google Patents

低阻力高分流均匀性分集水器选型方法及其装置 Download PDF

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CN116562093A CN202310536463.9A CN202310536463A CN116562093A CN 116562093 A CN116562093 A CN 116562093A CN 202310536463 A CN202310536463 A CN 202310536463A CN 116562093 A CN116562093 A CN 116562093A
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Abstract

一种低阻力高分流均匀性分集水器选型方法及其装置，包括以下步骤：步骤S1：建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；步骤S2：采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；步骤S3：采用基于Pressure based求解的(k‑o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N‑S动量方程偏微分方程组；步骤S4：按下式计算各分集水器的减阻率；步骤S5：按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数；步骤S6：根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。该方法适用于分集水器的批量化研究，降低企业试验成本，提质增效。

Description

低阻力高分流均匀性分集水器选型方法及其装置
技术领域
本申请涉及给排水空调供暖领域，特别是一种低阻力高分流均匀性分集水器选型方法及其装置。
背景技术
分集水器在太阳能，供暖系统中有着广泛的应用，具体结构参见图1，由图1可见，现有常用集水器包括：用于进水的主管和多个用于出水的支管，各支管一端分别与主管同一侧壁相连通，各支管的直径小于主管直径。支管将主管流入的热传导介质向各支管连通的用户部件传输。
该结构的现有分集水器主要用于对加热后水箱中的水向多个用户流出分配，由多个管路组件。现有分集水器系统中为实现对多个用户提供相同热量的目的，在环境温度与传热介质之间温差较小的情况下，多采用提高供热介质流量的方式解决。
但由于管路系统中本身存在阻力，而且现有分集水器系统中存在多个弯头、三通等部件进一步增大管路系统中的阻力。采用上述方法时，需要增大对供热介质的推动动能的能耗，进而导致能源的浪费。且过多的供热介质快速通过后，也会导致热交换不充分导致热量的浪费。同时该方式，还会增大系统内的阻力。
传统分集水器基于大流量、小温差的调节方式，由于该系统中所用各出水管路长度不同，现有技术中多通过在管路上增、减例如阀门等阻力部件，实现对各各管路阻力的调节，以达到各管路阻力平衡的目的。
但该调节方式会进一步增大远端管路的阻力，导致能耗增加，同时该调节手段难以实现有效调节，增加安装成本。
针对上述技术问题，例如CN202211219414.4中公开了一种低阻力分(集)水器，采用该集水器能有效改变水流方向，使其总是经过中心轴线为90°圆弧的管道的引导，且总口段和主体段之间的水流流动经过总口连接段引导，水流在流动过程中不易产生涡流，保持流线形状减小流动阻力。
但该结构的分集水器只减小了分集水器部件阻力问题，无法解决系统流量不均匀问题，系统的流量平衡仍需要增设阀门，导致系统阻力增加。
且现有分集水器结构复杂多样，不同结构的分集水器的内部系统阻力、分水器内水流均匀性均未知，且单靠其结构难以准确分布和筛选，导致实际选型所得结果并不是最优结构，而分集水器完成安装后，拆除成本增加，影响施工进度和效率。
发明内容
本申请针对上述缺陷或不足提供了一种低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，该方法可快速从多个待筛选的分集水器结构中筛选出具有低阻力高分流均匀性的结构，有利于提高选型效率。
本申请提供的一种低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；
步骤S2：采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；
步骤S3:采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器的内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；
步骤S4：按下式计算各分集水器的减阻率η：
其中，P(Pa)表示各分集水器的入口全压；P0(Pa)表示待优化分集水器的入口全压值；
步骤S5：按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数：γi＝(βi-1)×100％，
其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)；(kg/s)表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
步骤S6：根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。
优选地，所述待选型分集水器所含支管数量相同。
优选地，步骤S4中包括：根据各分集水器的速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)系统求解连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组得到各分集水器的系统全压。
优选地，步骤S4中入口全压P由步骤S3中所得压力场和速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到；
入口全压值P0由步骤S3中所得压力场和速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到。
优选地，步骤S5中，Qi(kg/s)通过将步骤S3中所得压力场、速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组求解得到。
优选地，三维模型采用UG软件建立。
本申请提供了一种如上述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法用装置，包括：
三维模型建模模块，用于建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；
离散模型建模模块，用于采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；
流体场计算模块，用于采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器的内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；
减阻率计算模块，用于按下式计算各分集水器的减阻率η：
其中，P(Pa)表示各分集水器的入口全压；P0(Pa)表示待优化分集水器的入口全压值；
流量不均匀系数计算模块，用于按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数：γi＝(βi-1)×100％，
其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)；(kg/s)表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
选型模块，用于根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，该方法可以实现对现有或新研发的多种不同结构的分集水器进行快速准确选型，选型结果与实测结果相符，说明该方法选型准确性较高，可快速从多种结构的分集水器中选出满足低阻力高分流均匀性要求的分集水器。
2)本申请所提供的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，适用于分集水器的批量化研究，降低企业试验成本，提质增效。
附图说明
图1为原始待改进分集水器主视结构示意图；
图2为本申请提供的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法流程示意图；
图3为本申请实施例1中所用方案1的非对称‘卜’形分集水器主视结构示意图，其中a)为分水器模型；b)为集水器模型，本申请中分水器是指支管延伸端为出口，主管的一端为进口的结构；集水器为各支管的延伸端为进口，主管的一端为出口的结构；
图4为本申请实施例1中所用方案2的对称性‘卜’形分集水器主视结构示意图，其中a)为分水器模型；b)为集水器模型；
图5为本申请实施例中所用方案3的交叉形‘卜’形分集水器主视结构示意图，其中a)为分水器模型；b)为集水器模型；
图6为本申请实施例中所用方案4的非对称形‘镰刀’形分集水器主视结构示意图，其中a)为分水器模型；b)为集水器模型；
图7为本申请实施例中所用方案5的对称形‘镰刀’形分集水器主视结构示意图，其中a)为分水器模型；b)为集水器模型；
图8为本申请实施例中所用方案6的对称形‘树状’分集水器主视结构示意图，其中a)为分水器模型；b)为集水器模型；
图9为如图3～8中所示方案1～6的分集水器流场和速度场仿真结果图，其中，a1)、方案1的速度场图；a2)、方案1的流场图；b1)、方案2的速度场图；b2)、方案2的流场图；c1)、方案3的速度场图；c2)、方案3的流场图；d1)、方案4的速度场图；d2)、方案4的流场图；e1)、方案5的速度场图；e2)、方案5的流场图；f1)、方案6的速度场图；f2)、方案6的流场图；
图10为本申请、对比例1～2中所用分集水器验证模型结构示意图；
图11为本申请提供方法处理方案1～6的分集水器的分集水器支管的进水口、出水口的流量不均匀系数结果；其中a)为各方案中4支管出液口的流量不均匀系数结果折线图；b)为各方案中4支管进液口的流量不均匀系数结果折线图；
图12为本申请实施例2及对比例1～2中所得数值模型有效性验证图，图中对比了实施例2及对比例1～2所得结果；
图13为如图3～8中所示方案1～6的分集水器系统的全压和减阻率仿真结果图；其中a)为各方案中分水器的结果图；b)为各方案中集水器的结果图；
图14为本申请提供的低阻力高分流均匀性分集水器选型装置模块连接结构示意图；
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明1部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请中未详述的且并不用于解决本申请技术问题的技术手段，均按本领域公知常识进行设置，且多种公知常识设置方式均可实现。
参见图2，本申请提供1种分集水器及其研究方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；
步骤S2：采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；
步骤S3：采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器的内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；
步骤S4：按下式计算各分集水器的减阻率η：
其中，P(Pa)表示各分集水器的入口全压；P0(Pa)表示待优化分集水器的入口全压值；
步骤S5：按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数：γi＝(β-1)×100％，
其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)；(kg/s)表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
步骤S6：根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。
采用该方法能有效提高从多个分集水器构型中进行筛选合适改进的分集水器结构的效率，而且通过与现有文献公开具体实验数据的分集水器结果进行对比可知，本申请提供方法对该分集水器模拟计算结果与其实测结果1致，模拟效果较好，有利于提高选型结果在实际工程运用中的使用效果。
优选地，待选型分集水器所含支管数量相同。该方法尤其适用于对支管数量相同的分集水器进行筛选，例如本申请实施例1中待选型分集水器均为含4个支管的分集水器。
优选地，步骤S4中包括：根据各分集水器的速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)系统求解连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组得到各分集水器的系统全压。计算得到系统全压可以辅助进行选型。
优选地，步骤S4中入口全压P由步骤S3中所得压力场和速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到；
入口全压值P0由步骤S3中所得压力场和速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到。
优选地，步骤S5中，Qi(kg/s)通过将步骤S3中所得压力场、速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组求解得到。
优选地，三维模型采用UG软件建立。
本申请的另一方面还提供了一种如上述方法用装置，包括：
三维模型建模模块，用于建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；
离散模型建模模块，用于采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；
流体场计算模块，用于采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器的内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；
减阻率计算模块，用于按下式计算各分集水器的减阻率η：
其中，P(Pa)表示各分集水器的入口全压；P0(Pa)表示待优化分集水器的入口全压值；
流量不均匀系数计算模块，用于按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数：γi＝(βi-1)×100％，
其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)；(kg/s)表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
选型模块，用于根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。
实施例1
本实施例中采用仿生方法设计得到的支管为4的分集水器作为研究对象。所选研究对象的入口管径均为40mm，出水管径均为25mm。研究对象的入口物质流速选择0.5m/s,，分别通过模拟求取新型分集水器的流量均匀性以及减阻率。
具体步骤如下：
步骤S1：通过软件(如UG软件)建立待选型的方案1～6及原始待改进分集水器的三维模型；
步骤S2：通过流体模拟软件ANSYS对各分集水器模型进行离散网格化处理；
步骤S3:对各分集水器模型，采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，求解连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；本实施例中所得结果参见图9。
步骤S4：根据各分集水器的速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)系统求解连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组得到各分集水器的系统全压；
本实施例中所处理各样本的出口边界条件均采用压力出口，设置压力为标准大气压，在未知管路的压力损失的情况下，设置为标准大气压不影响分水器的流动特性研究。
求取方案1～6中各分集水器的系统全压和减阻率，其中减阻率按下式计算：其中η表示分集水器减阻率；P(Pa)表示各方案的分集水器入口全压；此处的入口全压根据步骤S3中所得压力场和速度场数据，采用连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到；P0(Pa)表示如图1所示原始模型(待优化)分集水器入口全压值，该全压值根据步骤S3中所得该模型的压力场和速度场数据，采用连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到；所得结果如图13。
根据图13a～b)所得结果可筛选出，具有较好减阻率的分集水器方案。
步骤5：按下式分别求取方案1～6中各结构分集水器的流量不均匀系数：γi＝(βi-1)×100％，其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)该流量通过用步骤S3中所得压力场、速度场，代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组求解得到，/>(kg/s)表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
本实施例中，Q为仿真设定值，计算得到，βi为结果0.6～1.3；γi结果为-15％～21％；所得结果具体参见图11所示。根据图11和图13所得结果，可以在各待筛选方案找获得，减阻率最高且流量不均匀系数最小的方案，从而完成对现有多个分集水器的准确选型。
本实施例中，通过运用仿生学的原理提出6种异形结构的分集水器结构：非对称‘卜’形、对称性‘卜’形结构、交叉形‘卜’形结构、非对称形‘镰刀’结构、对称形‘镰刀’结构以及对称形‘树状’结构，经过上述方法分析得到分水器的最佳形式为对称形‘镰刀’结构，集水器的最佳形式为对称形‘卜’结构，能够更好的达到系统节能且同时实现不同出水管路中阻力有效调节，无需增加管路上的阻力阀门等部件，降低安装成本，增加调节手段。
实施例2
针对如图10所示太阳能供水系统用分集水器模型，采用如实施例1所示方法进行数值模拟，所得结果如图12所示的现有模型。
对比例1：
针对如图10所示模型，Wang&Yu.(Isothermal flow distribution in headersystems[J].Sol Energy,1989,7(3):159-169.)的实验数据。Wang&Yu的实验参数如下：支管数N＝10,集箱直径dQ＝13mm,支管直径dr＝6.5mm,支管间距E＝30mm。该实验结果如图12所示。
对比例2
针对如图10所示模型，采用G.F.Jone[Flow distribution in manifolded solarcollectors with negligible buoyancy effects[J].Sol Energy,1994,52(3):289-300]的方法进行数值模拟。该实验结果如图12所示。
参见图12，可知实施例2所得该模型的计算结果，与Wang&Yu的实验结果(对比例1)完全1致，均为6.4L/min，说明本申请提供方法的模拟结果更接近于实验实测结果。而G.F.Jone的数值模拟(对比例2)结果存在差距，说明本申请提供方法的模拟结果准确性高于对比例2提供方法。
该结果证明本申请提供方法能有效模拟分集水器内部各项参数，所得模拟结果与实验结果更贴近，说明能有效辅助进行分集水器的选型，获取剧以后较低阻力，较高水流均匀效果的分集水器。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；
步骤S2：采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；
步骤S3:采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器的内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；
步骤S4：按下式计算各分集水器的减阻率η：
其中，P(Pa)表示各分集水器的入口全压；P0(Pa)表示待优化分集水器的入口全压值；
步骤S5：按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数：γi＝(βi-1)×100％，
其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)；表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
步骤S6：根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。
2.根据权利要求1所述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，其特征在于，所述待选型分集水器所含支管数量相同。
3.根据权利要求1所述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，其特征在于，步骤S4中包括：根据各分集水器的速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)系统求解连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组得到各分集水器的系统全压。
4.根据权利要求1所述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，其特征在于，步骤S4中入口全压P由步骤S3中所得压力场和速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到；
入口全压值P0由步骤S3中所得压力场和速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组计算得到。
5.根据权利要求1所述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，其特征在于，步骤S5中，Qi(kg/s)通过将步骤S3中所得压力场、速度场代入连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组求解得到。
6.根据权利要求1所述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法，其特征在于，三维模型采用UG软件建立。
7.一种如权利要求1～6中任1项所述的低阻力高分流均匀性分集水器选型方法用装置，其特征在于，包括：
三维模型建模模块，用于建立待选型分集水器及待改进分集水器的三维模型；
离散模型建模模块，用于采用流体模拟软件ANSYS对各分集水器的三维模型进行离散网格化处理，得到离散模型；
流体场计算模块，用于采用基于Pressure based求解的(k-o)SST湍流模型并结合simple算法，分别求解各分集水器的离散模型的连续性方程和N-S动量方程偏微分方程组，得到各分集水器的内部稳态湍流速度场U(x,y,z)、压力场P(x,y,z)；
减阻率计算模块，用于按下式计算各分集水器的减阻率η：
其中，P(Pa)表示各分集水器的入口全压；P0(Pa)表示待优化分集水器的入口全压值；
流量不均匀系数计算模块，用于按下式分别求解各分集水器的流量不均匀系数：γi＝(βi-1)×100％，
其中，Qi(kg/s)表示每个支管的流量(i＝1,2,3…n)；表示各支管进口的平均流量，为仿真设定值，Q(kg/s)表示总管进口流量，为仿真设定值，n表示支管数，β表示每个支管的流量不均匀系数(i＝1,2,3…n)，γi表示每个支管的流量偏差(i＝1,2,3…n)；
选型模块，用于根据各分集水器的减阻率、流量不均匀系数，选取其中减阻率最高且流量不均匀系数最低的分水器和集水器作为选型结构。
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