CN117662893A - 一种低阻力分液装置及其设计方法 - Google Patents
一种低阻力分液装置及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117662893A CN117662893A CN202311642346.7A CN202311642346A CN117662893A CN 117662893 A CN117662893 A CN 117662893A CN 202311642346 A CN202311642346 A CN 202311642346A CN 117662893 A CN117662893 A CN 117662893A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- branch pipe
- low
- liquid separation
- resistance
- separation device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 93
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 80
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 44
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 17
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 22
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005184 irreversible process Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
本发明属于流体减阻技术领域，具体涉及一种低阻力分液装置及其设计方法，低阻力分液装置包括连接的直管和支管，支管设计为弧形管且向第一出口侧偏移，支管的开口直径为d，支管内弧半径为R1，支管外弧半径R2，支管的出口偏移距离为h。通过对支管的开口尺寸、支管的偏移距离、支管内弧半径、支管外弧半径四种尺寸参数进行优化，可以较大程度上降低传分液装置的局部阻力系数，当支管与总管的流量比和直径比分别为0.1～0.5和0.4～1时，低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％，可以降低支管的流动涡旋，削弱了因流体黏性耗散所导致的能量损失，从而降低了管网的系统阻力和水泵的能耗。
Description
技术领域
本发明属于流体减阻技术领域，具体涉及一种低阻力分液装置及其设计方法。
背景技术
随着全球能源需求和碳排放的增加，人们越来越重视创造低碳、清洁、高效的能源环境。在中国北方，80％的建筑热需求由区域供暖系统提供，这被认为是最有效的供暖技术之一。区域供暖系统由热源、管网、变电站和用热器组成。当输送加热介质时，泵为系统提供驱动力，并且泵还消耗大量电力。水泵在热需求侧的能耗主要是为了克服管道、构件和终端设备造成的压力损失。分液装置主要起到分流和导向的作用，但它也造成了总压降的很大一部分。
用于供暖系统中的分液装置具有合理分配流量和流体转向的作用，是流体输配工程中必不可少的管道构件。目前，在实际工程中常用到的分液装置是直角T型的，这会导致管道产生较高的阻力损失和水泵的压降。而半个世纪以来，其分液装置形态未发生过变化。因此，迫切需要采取合理的减阻措施对传统分液装置的形状进行低阻力优化，从而降低流体的输配能耗和泵功。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低阻力分液装置及其设计方法，解决了现有T型结构分液装置存在的阻力大能耗大的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种低阻力分液装置，包括连接的直管和支管，直管一侧端口为进口，直管另一侧端口为第一出口，支管的下侧端口为第二出口，直管的直径为D1，第二出口的直径为D2，支管的开口处直径为d；
支管设计为弧形管且向第一出口侧偏移，支管内弧半径为R1，支管外弧半径R2，支管的出口偏移距离为h；
各尺寸满足以下要求：D2≤d≤D1、0＜h≤D1、0.45D1＜R1≤0.78D1、0.52D1＜R2≤0.95D1。
进一步，所述进口与第一出口、第二出口均为圆形截面，且进口至第一出口的圆形截面的直径D1不变。
进一步，D1和D2的取值为25mm～591mm。
进一步，在最低阻力情况下，h＝0.7D1，R1＝0.78D1，R2＝0.95D1。
进一步，当第二出口与进口处的管段的流量比为0.1～0.5，直径比为0.4～1时，所述低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％。
进一步，当第二出口和进口处的流量比为0.3时，所述低阻力分液装置的减阻率出现极大值。
本发明公开了一种低阻力分液装置的设计方法，包括以下过程：
保持基本参数不变，先对支管开口直径d进行优化，选取多个不同的d值对比其减阻效果，得到d的取值范围；且当d＝D1时，具有较好的减阻效果；
保持支管开口直径d＝D1不变，对支管的偏移距离进行优化，选取多个不同的h值对比其减阻效果，得到h的取值范围；且当h＝0.7d时，具有较好的减阻率；
保持d＝D1，h＝0.7d不变，对支管的内弧半径R1和外弧半径R2进行低阻力优化，得到R1和R2取值范围。
进一步，还在支管与直管的不同直径比和流量比下，研究低阻力分液装置的阻力降低效果，得到当第二出口与进口处的管段的流量比为0.1～0.5，直径比为0.4～1时，所述低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％。
进一步，减阻效果通过减阻率来体现，减阻率表示为：
其中ζT-b为传统分液装置沿支管流动方向的局部阻力系数；ζN-b为所述低阻力分液装置沿支管流动方向的局部阻力系数；η为低阻力分液装置的减阻率。
进一步，基本参数包括C、M、D1、D2，M为直管的中心线与第二出口所在截面的距离；C为直管长度的一半，D1为直管的直径，D2为第二出口的直径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种低阻力分液装置，通过对分液装置支管的开口尺寸、支管的偏移距离、支管内弧半径、支管外弧半径四种尺寸参数进行优化，可以较大程度上降低传统分液装置的局部阻力系数，低阻力分液装置可以很好的引导支管流体流动，减弱流体在支管处的流动分离和不均匀流动。低阻力分液装置可以降低支管的涡旋，削弱了因流体黏性耗散所导致的能量损失，从而降低了管网的系统阻力和水泵的能耗，为低阻力建筑输配系统的设计提供了新的思路。
进一步，本发明的低阻力分液装置，通过对分液装置支管的开口尺寸、支管的偏移距离、支管内弧半径、支管外弧半径四种尺寸参数进行优化，可以较大程度上降低传统分液装置的局部阻力系数，当支管与总管的流量比和直径比分别为0.1～0.5和0.4～1时，低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％。
附图说明
图1为本发明低阻力分液装置的结构尺寸示意图；
图2为分液装置的压力计算断面位置示意图；
图3为用于数值模拟计算所采用的网格划分示意图；
图4为本发明低阻力分液装置的设计过程；
图5为本发明低阻力分液装置的优化过程下的减阻率；
图6为本发明低阻力分液装置在不同直径比和流量比下的减阻率；
图7为本发明低阻力分液装置与传统分液装置的能量耗散对比图(其中，图7a是传统分液装置中心断面的能量耗散图，图7b是低阻力分液装置中心断面的能量耗散图)。
其中，1、直管；2、支管；3、进口；4、第一出口；5、第二出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。
如图1所示，本实施例公开了一种低阻力分液装置，包括直管1和支管2，直管1左侧端口为进口3，直管1右侧端口为第一出口4，支管2的下侧端口为第二出口5，流体从进口3流进，经过分液装置后由第一出口4和第二出口5流出，低阻力分液装置的基本尺寸D1、D2、C和M参照国家标准GB/T12459-2017，基于此，得到的低阻力分液装置的支管2开口直径d的范围为D2≤d≤D1、支管2的出口偏移距离h的范围为0＜h≤D1、支管2内弧半径R1的范围为0.45D1＜R1≤0.78D1、支管2外弧半径R2的范围为0.52D1＜R2≤0.95D1，其中D1为直管1的内径。
其作用为：本实施例的低阻力分液装置通过进口3和两个出口连接直管1，可以在较低阻力的情况下更加平顺的引导流体向直管1侧和支管2侧流动，改变流体的流向并合理分配直管1和支管2侧的流量，即流体从进口3流进分液装置的腔体，再从直管1侧和支管2侧的出口流出；低阻力分液装置可以较大程度上降低传统分液装置的局部阻力系数，当支管2与总管即进口3处的管段的流量比和直径比分别为0.1～0.5和0.4～1时，低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％，低阻力分液装置可以很好的引导支管2流体流动，减弱流体在支管2处的流动分离和不均匀流动。低阻力分液装置可以降低支管2的涡旋，削弱了因流体黏性耗散所导致的能量损失，从而降低了管网的系统阻力和水泵的能耗。
具体的，进口3、第一出口4及第二出口5均为圆形截面，且进口3至第一出口4的圆形截面的直径D1不变，支管2出口的内径D2必须小于或等于D1，D1和D2的取值为25mm～591mm。
具体的，在最低阻力情况下，低阻力分液装置的支管2开口直径d为D1、支管2的偏移距离h为0.7D1、支管2内弧半径R1为0.78D1、支管2外弧半径R2为0.95D1，其中D1为直管1的内径。
如图2所示，分液装置的两种流动方向的局部阻力系数计算式为：
沿直管1流动方向的局部阻力系数：其中，ΔPs为沿直管1流动方向的局部阻力；Pv为进口3速度下的动压；Pm1和Ps2为测点位置处的全压值；Pm'1-Pm'2为拆除分液装置后等效长度下的直管1沿程阻力；Ps'1-Ps'2为拆除分液装置后等效长度下直管1的沿程阻力损失；ρ为流体的密度；v为进口3的流速。
沿支管2流动方向的局部阻力系数：其中，ΔPb为沿支管2流动方向的局部阻力；Pv为进口3速度下的动压；Pm1和Pb2为测点位置处的全压值；Pm'1-Pm'2为拆除分液装置后等效长度下的直管1沿程阻力；Pb'1-Pb'2拆除分液装置后等效长度下支管2的沿程阻力损失；ρ为流体的密度；v为进口3的流速。
为了使得上下游的压力测点都处于充分发展流动，上下游压力测点与分液装置之间的距离大于10D可以满足要求。另外，沿直管1流动方向的局部阻力系数要远小于沿支管2流动方向的局部阻力系数，因此，以沿支管2流动方向的局部阻力系数为优化指标，减阻率可以表示为：其中ζT-b为传统分液装置沿支管2流动方向的局部阻力系数；ζN-b为本发明的低阻力分液装置沿支管2流动方向的局部阻力系数；η为低阻力分液装置的减阻率。
本发明采用Fluent 19.0仿真软件对分液装置的压力场和速度场进行数值模拟。采用icem 19.0对分液装置进行网格划分，由于分液装置接头处结构较为复杂，采用非结构网格对分液装置内部进行网格划分。而分液装置的直管1和支管2的结构比较规整，因此，直管1处采用结构化网格进行划分。所以，采用非结构网格和结构化网格相结合的混合网格对分液装置进行网格划分，如图3所示。当分液装置模型的总网格数量为185万时，可以满足数值模拟的准确性要求。
采用k-εrealizable湍流模型进行数值模拟。流动介质为不可压缩液态水，管道进口3设置为速度进口，出口设置为压力出口，出口静压为0，管道壁面为无滑移壁面，壁面粗糙度为0.15mm。
采用simple算法进行压力速度的耦合，采用二阶迎风格式对动量和湍流耗散率进行离散。当迭代步数达到3000步时，各监测指标的残差小于10-5，可以认为数值计算实现收敛。
如图4所示，对传统分液装置进行了低阻力的优化设计，具体过程如下：
保持基本参数C、M、D1、D2不变，先对支管2开口直径进行优化，选取了9个不同的d值对比其减阻效果，如表1所示，当d＝D1时，具有较好的减阻效果；
表1
保持支管2开口直径d＝D1不变，对支管2的偏移距离进行了优化，同样选取了9个不同的h值对比其减阻效果，如表2所示，当h＝0.7d时，具有较好的减阻率。
表2
保持支管2开口直径d＝D1不变，保持支管2偏移距离h＝0.7d不变，对支管2的内外弧半径进行了低阻力优化，如表3和表4，结果表明，当R1＝0.78D1，R2＝0.95D1时可以实现最优的减阻效果。低阻力分液装置优化过程所对应的减阻率如图5所示。
表3
表4
如图6所示，由于分液装置支管2与总管的直径比和流量比会对流场和压力场产生较大的影响，因此，在不同直径比和流量比下，研究了低阻力分液装置的阻力降低效果。结果表明，随着流量比的增加，低阻力分液装置的减阻率先增大后减小，当支管2出口即第二出口5和总管的流量比为0.3时，减阻率出现极大值。对于不同直径比的低阻力分液装置都表现出较好的减阻效果。
如下表所示，在不同的流量比和直径比下，低阻力分液装置的局部阻力系数均低于传统分液装置的局部阻力系数。当支管2与总管的流量比和直径比分别为0.1～0.5和0.4～1时，低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％，低阻力分液装置可以很好的引导支管2流体流动，减弱流体在支管2处的流动分离和不均匀流动。
如图7所示，对比了传统分液装置和低阻力分液装置的能量耗散分布，结果表明，对于如图7a所示的传统分液装置的直管1并未出现较高的能量耗散，而在支管2侧出现大面积的高能量耗散区域，表明在支管2处流体出现了大面积的流动分离，支管2侧流体的机械能转变为内能，为不可逆过程。而如图7b所示的低阻力分液装置的支管2侧高能量耗散区域面积相对减小，表明低阻力顺流的支管2结构可以减弱流动分离和机械能向内能的转变，从而降低沿支管2侧流动的局部阻力系数，实现了泵功的降低。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低阻力分液装置，其特征在于，包括连接的直管(1)和支管(2)，直管(1)一侧端口为进口(3)，直管(1)另一侧端口为第一出口(4)，支管(2)的下侧端口为第二出口(5)，直管(1)的直径为D1，第二出口(5)的直径为D2，支管(2)的开口处直径为d；
支管(2)设计为弧形管且向第一出口(4)侧偏移，支管(2)内弧半径为R1，支管(2)外弧半径R2，支管(2)的出口偏移距离为h；
各尺寸满足以下要求：D2≤d≤D1、0＜h≤D1、0.45D1＜R1≤0.78D1、0.52D1＜R2≤0.95D1。
2.根据权利要求1所述的一种低阻力分液装置，其特征在于，所述进口(3)与第一出口(4)、第二出口(5)均为圆形截面，且进口(3)至第一出口(4)的圆形截面的直径D1不变。
3.根据权利要求1所述的一种低阻力分液装置，其特征在于，D1和D2的取值为25mm～591mm。
4.根据权利要求1所述的一种低阻力分液装置，其特征在于，在最低阻力情况下，h＝0.7D1，R1＝0.78D1，R2＝0.95D1。
5.当第二出口(5)与进口(3)处的管段的流量比为0.1～0.5，直径比为0.4～1时，所述低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％。
6.根据权利要求1所述的一种低阻力分液装置，其特征在于，当第二出口(5)和进口(3)处的流量比为0.3时，所述低阻力分液装置的减阻率出现极大值。
7.权利要求1-6任意一项所述一种低阻力分液装置的设计方法，其特征在于，包括以下过程：
保持基本参数不变，先对支管(2)开口直径d进行优化，选取多个不同的d值对比其减阻效果，得到d的取值范围；且当d＝D1时，具有较好的减阻效果；
保持支管(2)开口直径d＝D1不变，对支管(2)的偏移距离进行优化，选取多个不同的h值对比其减阻效果，得到h的取值范围；且当h＝0.7d时，具有较好的减阻率；
保持d＝D1，h＝0.7d不变，对支管(2)的内弧半径R1和外弧半径R2进行低阻力优化，得到R1和R2取值范围。
8.根据权利要求7所述的一种低阻力分液装置的设计方法，其特征在于，还在支管(2)与直管(1)的不同直径比和流量比下，研究低阻力分液装置的阻力降低效果，得到当第二出口(5)与进口(3)处的管段的流量比为0.1～0.5，直径比为0.4～1时，所述低阻力分液装置的减阻率为5％～70.2％。
9.根据权利要求7所述的一种低阻力分液装置的设计方法，其特征在于，减阻效果通过减阻率来体现，减阻率表示为：
其中ζT-b为传统分液装置沿支管(2)流动方向的局部阻力系数；ζN-b为所述低阻力分液装置沿支管(2)流动方向的局部阻力系数；η为低阻力分液装置的减阻率。
10.根据权利要求7所述的一种低阻力分液装置的设计方法，其特征在于，基本参数包括C、M、D1、D2，M为直管(1)的中心线与第二出口(5)所在截面的距离；C为直管(1)长度的一半，D1为直管(1)的直径，D2为第二出口(5)的直径。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311642346.7A CN117662893A (zh) | 2023-12-01 | 2023-12-01 | 一种低阻力分液装置及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311642346.7A CN117662893A (zh) | 2023-12-01 | 2023-12-01 | 一种低阻力分液装置及其设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117662893A true CN117662893A (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=90078340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311642346.7A Pending CN117662893A (zh) | 2023-12-01 | 2023-12-01 | 一种低阻力分液装置及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117662893A (zh) |
-
2023
- 2023-12-01 CN CN202311642346.7A patent/CN117662893A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102735297B (zh) | 一种超声波流量计前置流动调整器 | |
| CN110534776B (zh) | 一种基于fluent仿真的燃料电池多堆分配内腔结构优化的方法 | |
| CN105574288A (zh) | 高性能大流量泵站进水流道三维形体过流面设计方法 | |
| CN107265563A (zh) | 一种串联式文丘里管空化装置 | |
| CN113915045B (zh) | 一种斜弯锥的混流式水轮机尾水管 | |
| CN117662893A (zh) | 一种低阻力分液装置及其设计方法 | |
| KR101012155B1 (ko) | 연료전지 시스템용 가습기 | |
| CN211011467U (zh) | 一种风烟系统一、二次风场均流装置 | |
| CN201707087U (zh) | 涡街质量流量计 | |
| CN111779979A (zh) | 一种火力发电机组的再热管路系统及其制造方法 | |
| CN111102630A (zh) | 一种换热站二次网补水预热系统 | |
| CN206956854U (zh) | 一种全密闭变频无负压供水设备 | |
| CN215161638U (zh) | 一种净水系统 | |
| CN105160062B (zh) | 一种同程管网水力校核方法 | |
| CN201288709Y (zh) | 一种掘进机用的液压油箱冷却装置 | |
| CN211782860U (zh) | 一种用于冷却塔切换时的缓冲装置 | |
| CN207393241U (zh) | 降阻通风管路及使用其的瓦斯抽放泵站和风机 | |
| CN206956844U (zh) | 一种有效降低水头损失的供水设备汇总管 | |
| CN209245720U (zh) | 一种调压柜 | |
| CN202675955U (zh) | 屏式烟道换热器 | |
| CN206944325U (zh) | 供暖循环动力控制系统 | |
| CN202066534U (zh) | 无引压管线的标准孔板节流装置引压装置 | |
| CN117189985A (zh) | 一种低阻力圆截面导流装置 | |
| CN219367094U (zh) | 一种新型分集水器 | |
| CN210601074U (zh) | 一种整装式计量箱 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |