CN211779583U - 一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通。包括：主管，与主管方向相同的直通管管径小于主管管径，直通管与主管的中心管线在同一水平线上，与主管连接的三通支流管的延伸方向与主管的延伸方向呈90度，主管与直通管相连接的管线上凸且上凸方向与原连接方向垂直。本实用新型在此种设计条件下均有减阻效果。并且当改变三通直通管与支流管的流量比时，无量纲弧线高度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的最优值固定在一定的范围内。改变三通连接段的弧线高度在一定程度上可以降低三通直管段和支管段的阻力，减阻率最多可达38.05%。

Description

一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通
技术领域
本实用新型涉及管道局部构件技术领域，特别是涉及一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通。
背景技术
在通风空调系统中，通风风机（送风机、一次风机等）运行电耗是通风空调系统能耗的重要组成部分。仅在中国，以风机为动力的系统所消耗的电力占全国电力总量的10.4%。虽然使用的能量总量较多，但能源的人均使用量非常低，甚至远远低于世界的平均水平。
上个世纪中期，特别是当计算流体力学这门学科成熟发展之后，大量研究人员开始进行管道局部构件阻力计算的研究。从总体上来看，前人无论对于空气、水、蒸汽等研究介质，还是对于弯头、阀门、变径、三通等局部构件种类，都有一定研究基础。
分流三通虽然是一个非常小的通风空调管道局部构件，但是它在通风空调领域不可或缺，是重要的空气分流输配装置。与此同时，由于三通在建筑物中的数量众多，因其产生的局部阻力所引起的能耗同样巨大，值得进行关注，但是现有技术中如中国专利CN201720349978.8的三通管等均没有针对三通管件的降阻研究。
发明内容
本实用新型目的是提供一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，旨在对其上游和下游连接段处的管段线改良，众所周知，传统的三通连接管段线或因为制造方便，通常都会设置成直线。然而，较少有人针对三通构件研究过这种传统的制造工艺是否节能，也没人研究过如何改进这一部分的管段。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，包括：主管，与主管方向相同的直通管管径小于主管管径，直通管与主管的中心管线在同一水平线上，与主管连接的三通支流管的延伸方向与主管的延伸方向呈90度，主管与直通管相连接的管线上凸且上凸方向与原连接方向垂直。
实际使用中，h代表所研究变弧线三通上凸（或下凹）的高度，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
代表三通下游管 断面的长边长度，
Figure 702786DEST_PATH_IMAGE002
的大小就代表着这一段管道上凸或者下凹的程度，正值代表上凸， 负值代表下凹。
Figure 557609DEST_PATH_IMAGE002
的值为正，呈凸起状。
本实用新型的三通构件主要适用于三通管件流量比在(1～5)：(1～3)时的情况。
由于工程上的要求，不可能对于同一宽高比下在不同流量比时使用不同三通，基 于此考虑，在这里采取折中的办法，提出减阻弧推荐高度的概念。在不同流量比条件下（1:3 ~5:1），其凸起高度
Figure 337346DEST_PATH_IMAGE002
=0.1时，发现均能达到减阻的目的。
本文分析了三通直管段和支管段的局部阻力系数具体的影响因素，经过对比耗散 项
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、耗散功
Figure 919506DEST_PATH_IMAGE004
、湍流动能耗散率
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、对流项
Figure 380485DEST_PATH_IMAGE006
和三通的局部阻力系数，得出：直管局 部阻力系数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
与湍流动能耗散率
Figure 140631DEST_PATH_IMAGE005
影响最大，可以通过控制
Figure 407664DEST_PATH_IMAGE005
来减少
Figure 793515DEST_PATH_IMAGE007
的值。当直管流量 大于支管流量时，支管的局部阻力受湍流动能耗散率
Figure 462393DEST_PATH_IMAGE005
的影响较大，当支管流量大于等于直 管流量时，支管局部阻力系数受对流项的影响更大。
本实用新型的有益效果为：本实用新型通过仿照文丘里管的结构，提出一种凸出 结构减阻方法，并将其用于三通中，得到具有弧面变形结构的降阻三通管件。本文针对分流 三通中两个方向的局部阻力系数进行优化，分析了不同宽高比、流量比下优化三通的减阻 效果，提出了无量纲弧线高度概念。与传统三通相比较，新型的无量纲弧线三通的直管段局 部阻力系数，
Figure 393440DEST_PATH_IMAGE007
减阻率最高达38.05%，三通支流段的局部阻力系数
Figure 147770DEST_PATH_IMAGE007
减阻率最高达 30.62%。
附图说明
图1为本实用新型实施例的典型建筑走廊的管道布置示意图；
图2为本实用新型实施例的变弧线三通的高度定义；
图3为本实用新型实施例的三通划分为体积1-3三个部分；
图4为本实用新型实施例的不同流量比和不同无量纲弧线高度下的三通直管段减阻率；
图5为本实用新型实施例的不同流量比和不同无量纲弧线高度下的三通支管段减阻率；
图6为本实用新型实施例的三通直管段局部阻力和各参数的对应关系；
图7为本实用新型实施例的三通支管段局部阻力和各参数的对应关系；
图8为本实用新型实施例的三通直管段的湍流动能耗散率
Figure 573197DEST_PATH_IMAGE008
与流量比的对应关系；
图9为本实用新型实施例的三通支管段的湍流动能耗散率
Figure 96582DEST_PATH_IMAGE008
和对流项
Figure DEST_PATH_IMAGE009
随流 量比的对应关系。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。另，涉及方位的属于仅表示各部件间的相对位置关系，而不是绝对位置关系。
实施例一、
本实用新型的一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，包括：主管，与主管方向相同的直通管管径小于主管管径，直通管与主管的中心管线在同一水平线上，与主管连接的三通支流管的延伸方向与主管的延伸方向呈90度，主管与直通管相连接的管线上凸且上凸方向与原连接方向垂直，变弧线变径三通下游处设置有用以与变弧线变径三通相连接的下游管，且变弧线变径三通上凸高度与下游管断面的长边长度之比为正值。其中，上凸方向为管线上凸最高点的径向延伸方向，上凸高度为上凸最高点的径向距离与管径之差。
本实用新型的研究思路是：基于湍流能量耗散率理论下分析减阻的原理，采用CFD(计算流体力学软件)数值模拟方法，研究三通弧线形状的优化，以及在多工况(不同流量比、高宽比)下的三通阻力特性。
本研究所基于的一个基本假设是，只考虑对三通的某一条支路进行减阻，不需要 考虑另一条支路的阻力。图1是个家庭房间风管回风实例：众所周知，风机的选型是基于最 不利环路，减少最不利环路的阻力才是减少风机消耗的唯一途径。但是对于三通来说，比如 三通abc，它有两个局部阻力系数，一是三通直管的局部阻力系数
Figure 464110DEST_PATH_IMAGE010
，二是三通支管的局部 阻力系数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，如果管路1-2-3-4属于最不利环路，只需要减少
Figure 892686DEST_PATH_IMAGE010
即可起到减阻作用，减少
Figure 105493DEST_PATH_IMAGE011
并不影响阻力计算和风机选型。同样地，如果管路5-6-7-8属于最不利环路，只需要减少
Figure 748964DEST_PATH_IMAGE011
，不需要考虑
Figure 769616DEST_PATH_IMAGE010
的大小。即只需要在满足三通属于最不利环路的那部分支路畅通的前提 下，尽可能的减少那部分的阻力。所以本文研究的重点是：在同一工况下，只考虑减少三通 一个通路的阻力，不需要同时对两个通路进行减阻。
定义三通上游（upstream）断面长边长度为
Figure 498537DEST_PATH_IMAGE001
、三通下游（downstream）断面长边 长度为
Figure 515035DEST_PATH_IMAGE012
、三通支流（branch）断面长边长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，其断面短边长度均取250mm。现有规范 中没有明确规定关于三通上下游管道的长度取值，故本研究选取三通上下游管段长度与对 应的管道长边长度相等，即分别为
Figure 199963DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 971610DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 859932DEST_PATH_IMAGE013
。由于每个三通的弧线高度尺寸的不同其相 对高度也会不同，所以定义一个无量纲弧线高度
Figure 742437DEST_PATH_IMAGE002
，其值就与三通的尺寸无关。如图2 所示，h代表所研究变弧线三通上凸（或下凹）的高度，
Figure 783336DEST_PATH_IMAGE001
代表三通下游管断面长边长度，
Figure 725885DEST_PATH_IMAGE002
的大小就代表着这一段管道上凸或者下凹的程度，正值代表上凸，负值代表下凹。
三通对前后的流体作用不仅限于三通本身，还会作用于与三通相连接管道内的流 体，如果仅考虑三通构件本身是不准确的。先分析直管三通的耗散功（支管三通将体积3换 成体积2即可），仿照前面局部阻力系数的计算方法，具体步骤如下：将体积1和体积3的耗散 功分别进行体积分，然后相加，记为带三通的管道直管段的耗散功体积分，记为
Figure 163819DEST_PATH_IMAGE014
。将部 分1的管道尺寸应用在直线型矩形管道中，管长为上游与下游的管长之和，管道的速度定义 为有三通时入口的速度，将整个直线管道的耗散功进行体积分，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。同样的方法， 定义体积3，记为
Figure 522119DEST_PATH_IMAGE016
。
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其物理意义即是将带三通的直通管耗散功 的体积分减去矩形直管耗散功的体积分，这样去除了三通对相邻流体的影响。支管段三通 的计算方法同上，将体积3换成体积2即可，如图3。
由流体多维流动的基本控制方程可知，有4种参数可能与局部构件的阻力有关，分 别是：NS方程中的耗散项
Figure 119323DEST_PATH_IMAGE018
、NS方程中的对流项
Figure DEST_PATH_IMAGE019
、能量方程中的耗散功
Figure 918258DEST_PATH_IMAGE020
、湍流能 量耗散率方程中的湍流动能耗散率
Figure 781172DEST_PATH_IMAGE005
。为表达方便，分别简写为耗散1、耗散2、耗散3、对流， 如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
将本文所研究的分流三通在5:1~1:3共7种流量比下和在-0.2~0.5共7种无量纲弧 线高度下的新型三通的减阻率列出，共有49种组合方式，如图4和图5所示。由图可知，当无 量纲弧线高度小于零时，无论流量如何变化，直管和支管都没有减阻效果。当三通的无量纲 弧线高度>0时，在一些工况下，直管和支管的减阻率为正。当
Figure 192430DEST_PATH_IMAGE002
=0~0.3时。三通直管减 阻率都在虚线上方，与流量比无关。当
Figure 191611DEST_PATH_IMAGE002
>0.3时，三通直管减阻率又会下降到0以下；支 管减阻的条件更加苛刻，当
Figure 475961DEST_PATH_IMAGE002
=0.3时，在某些流量比下支管已经没有减阻效果。综上， 直管的减阻率远大于支管的减阻率，最高可到40%，变三通弧线相对于支管段对直管段减阻 效果更好。
三通内部湍流流动的复杂，会产生漩涡、二次流现象，导致在不同流量比下，最优 形状三通对应的无因次高度不同，如下表所示。同时，由于工程上的要求，不可能在同一宽 高比下不同流量比时使用不同三通，基于此考虑，采取折中的办法，提出减阻弧推荐高度的 概念。其计算方法如下：计算出同一流量比、不同无量纲高度下减阻率。在减阻率大于0时， 统计无量纲弧线高度，得到所有流量比下的无量纲弧线高度。其中，直管段无量纲弧线高度 分为
Figure 576904DEST_PATH_IMAGE002
=0.1、0.2、0.3；支管段无量纲弧线高度分为
Figure 604903DEST_PATH_IMAGE002
=0.1、0.2。对符合条件的无 量纲弧线高度对应的减阻率进行平均处理，得出减阻率最大时的无量纲高度，即减阻弧推 荐高度。减阻弧推荐高度的三通减阻率可能低于最优无因次高度下的三通减阻率，但此时 依旧具有较大的减阻优势，而且有利于实际工程的应用。
Figure 724168DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
利用上节介绍的研究方法，可以算出相同弧线高度下，不同流量比的三通的耗散 函数、对流函数。将他们分别乘以一定倍数，与三通的直管局部阻力系数
Figure 100792DEST_PATH_IMAGE024
进行比较，可以 得到图6。由图可知，耗散2和耗散3具有相近的涨落规律，总体上随着流量比的减小，有一个 先减小再增加的趋势，与耗散1一直减小完全不同。仅从线图上来看，直管的局部阻力系数 与耗散3（湍流动能耗散率
Figure 938298DEST_PATH_IMAGE008
）相关性最高，涨落趋势接近，当
Figure 189894DEST_PATH_IMAGE024
随着流量比增大或者减小 时，
Figure 491563DEST_PATH_IMAGE008
也随之增大或者减小，其他的耗散函数或者对流函数却并没有这样的规律。因此直管 局部阻力系数
Figure 789820DEST_PATH_IMAGE024
与湍流动能耗散率
Figure 176939DEST_PATH_IMAGE008
高度相关，此时可用湍流动能耗散率
Figure 733691DEST_PATH_IMAGE008
进行分析。采取 合理的措施减小
Figure 624287DEST_PATH_IMAGE008
的值，就可以有效进行三通直管局部阻力的控制。
同样的，对三通的支管局部阻力系数
Figure DEST_PATH_IMAGE025
的影响因素进行分析，可得到图7。支管的 局部阻力系数同样随着流量比的减小，有一个先减小后增大的趋势，对流项也与直管相同， 随着流量比的减小而增大。但与直管不同的是，支管分析下的耗散1、耗散2和耗散3几乎相 同，随着流量比的减小而减小。这让支管局部阻力系数
Figure 359024DEST_PATH_IMAGE025
的影响因素分析变的复杂。
流体中的对流项
Figure 656276DEST_PATH_IMAGE009
，是由流体的运动导致的能量转化过程。在流体运动过程 中，如果一直做等速度、等流量的直线运动，此项的值必定为0，但在三通管道系统中，则不 可能一直做这样的理想流动。三通的作用是分流，而在本文研究的T型三通中，一部分流体 在三通处一直沿着直线进行运动，速度方向不变，只是改变了这部分流体的速度大小；另一 部分流体在三通处则既改变了速度大小又改变了方向，沿着正交的方向流向支管。这样一 来，支管处的流体的对流项要明显大于直管处的流体，这也能解释为什么当流量比减小时 （支管流量增大），对流项一直增大的问题。
当直管流量大于支管流量，此时直管流体占主导，由于黏性引起的耗散作用大于由于对流项引起的对流作用，所以支管的局部阻力与耗散项的影响较大；当支管流量大于等于直管流量，此时支管流体占主导，由于黏性引起的耗散作用相比对流项已占小部分，故观察线形图，此后的支管局部阻力系数与对流项的关系更大。
所以，当直管流量大于支管流量（5:1、4:1、3:1、2:1），此时支管局部阻力系数
Figure 829768DEST_PATH_IMAGE025
与耗散1~3有相同的涨落趋势（为分析简便，仍使用耗散3），此时可用湍流动能耗散率
Figure 778133DEST_PATH_IMAGE008
进行 分析；当支管流量大于等于直管流量（1:1、1:2、1:3），支管局部阻力系数
Figure 746089DEST_PATH_IMAGE025
与对流项具有 相同的涨落趋势，此时即可用对流项
Figure 29171DEST_PATH_IMAGE009
进行分析。
为了验证上述影响因素分析的正确性，本小节研究了h/Dus=-0.2、0、0.2三种无量 纲弧线高度和
Figure 740775DEST_PATH_IMAGE026
=5:1、1:1、1:3三种流量比下的对流项
Figure 605963DEST_PATH_IMAGE009
和湍流动能耗散率
Figure 682504DEST_PATH_IMAGE008
的 对比，共9种工况。截取x、y、z三个方向的截面进行分析。
如上节，三通直管阻力的主要影响参数是湍流动能耗散率
Figure 265932DEST_PATH_IMAGE008
。在这9种工况下，对三 通下游末端处的三通横截面进行了湍流动能耗散率对比分析，见图8。由图可以看到，当三 通固定无量纲弧线高度，即三通尺寸不变时，三通直管的局部阻力系数随流量比的减小，先 减小后增大；在定流量比的前提下，三通无量纲弧线高度从-0.2增至0.2时，三通直管局部 阻力系数随之减小。这也与此处云图完全吻合。说明了上述线图分析的结果具有可靠性，即 直管局部阻力系数
Figure 201133DEST_PATH_IMAGE024
与湍流动能耗散率
Figure 186407DEST_PATH_IMAGE008
高度相关。
由图9分析可知，当直管流量大于支管流量（5:1、4:1、3:1、2:1），此时可用湍流动 能耗散率
Figure 433849DEST_PATH_IMAGE008
进行分析；当支管流量大于等于直管流量（1:1、1:2、1:3）时，可用对流项
Figure 504573DEST_PATH_IMAGE009
进行分析。这里同样对这9种工况下，对三通支流末端处的三通横截面进行了湍流动能耗散 率和对流项对比分析。此时的云图分析结果与线图分析一致。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，其特征为，包括：主管，与所述主管方向相同的直通管管径小于所述主管管径，所述直通管与所述主管的中心管线在同一水平线上，与所述主管连接的三通支流管的延伸方向与所述主管的延伸方向呈90度，所述主管与所述直通管相连接的管线上凸且上凸方向与原连接方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，其特征为，所述变弧线变径三通下游处设置有用以与所述变弧线变径三通相连接的下游管，且所述变弧线变径三通上凸高度与所述下游管断面的长边长度之比为正值。
3.根据权利要求2所述的一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，其特征为，所述变弧线变径三通上凸高度与所述下游管断面的长边长度之比为0.1。
4.根据权利要求2所述的一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，其特征为，所述变弧线变径三通上凸高度与所述下游管断面的长边长度之比为0.2。
5.根据权利要求2所述的一种基于耗散函数对比分析的变弧线变径三通，其特征为，所述变弧线变径三通上凸高度与所述下游管断面的长边长度之比为0.3。
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