CN116772013A - 一种矩形风管低阻型整流三通及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风系统节能降耗技术领域，公开了一种矩形风管低阻型整流三通及其设计方法，包括Y型三通本体、贯穿三通的两块导流板、法兰；Y型三通本体的两侧出口尺寸相同，Y型三通本体的内腔两侧设置有导流板，导流板与Y型三通本体的上下壁面相连接；Y型三通本体的三通进口和三通出口外端均连接有法兰。本发明当气流进入三通后，经导流板的分流作用，气流分成两部分，分别从导流板上方和下方流向三通出口直管段，导流板合理的曲率设计可以使下方气流沿着导流板流动而不产生涡流，减小气流在三通内的阻力损失，导流板上下两部分的风量大致相等，使得气流流入支管段后上方和下方气流速度分布较为均匀，提高了气流的均匀性，达到整流的目的。

Description

一种矩形风管低阻型整流三通及其设计方法

技术领域

本发明属于风系统节能降耗技术领域，尤其涉及一种矩形风管低阻型整流三通及其设计方法。

背景技术

暖通空调系统的能耗约占建筑能耗的40％～60％，暖通空调系统运行能耗的一个重要组成是风系统能耗。在风系统能耗中，克服局部构件阻力产生的能耗占风系统总阻力能耗的40％以上。三通是风系统常见的局部构件，在三通较多的风系统中，三通的局部阻力损失可达到50％以上，因此三通的阻力优化设计在风系统的节能降耗方面显得十分重要。

同时，由于流动方向的改变，气流流经三通后，容易在三通出口处产生涡流，进而导致出口气流分配的均匀性。当三通下游有其它局部构件时，不均匀的气流组织流经局部构件后流动会更加不稳定，同时会增大局部构件的阻力。

为了减小气流在三通处的阻力损失并改善气流的流动状态，我们提出一种矩形风管低阻型整流三通。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

1.高阻力损失：现有的三通在气流流经时会引起较大的阻力损失，导致能耗的增加。三通的局部阻力损失在风系统中占据较大比例，甚至可达到50％以上。

2.不均匀流动：由于三通改变了气流的流动方向，气流经过三通后容易产生涡流和湍流，导致气流的不均匀流动。不均匀的气流流动会进一步影响下游局部构件的流动稳定性，并增加局部构件的阻力。

3.能耗增加：由于现有的三通设计无法有效减小阻力损失和改善气流流动状态，导致风系统的能耗增加。考虑到通风空调系统在建筑能耗中的重要比例，这一问题尤为显著。

综上所述，现有技术中使用的三通在气流流经时产生阻力损失、不均匀流动和能耗增加等问题和缺点。针对这些问题，提出了矩形风管低阻型整流三通的设计方案，旨在减小阻力损失、改善气流流动状态，从而提高风系统的效率和节能性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矩形风管低阻型整流三通及其设计方法。

本发明是这样实现的，一种矩形风管低阻型整流三通包括：

Y型三通本体、贯穿三通的两块导流板、法兰；

所述Y型三通本体的两侧出口尺寸相同，所述Y型三通本体的内腔两侧设置有导流板，所述导流板与Y型三通本体的上下壁面相连接；

所述Y型三通本体的三通进口和三通出口外端均连接有法兰。

进一步，所述Y型三通本体的进出口高度相等。

进一步，所述Y型三通本体、法兰、导流板均由钢板制成。

进一步，所述导流板起始端位于三通进口处，末端位于三通出口处。

进一步，所述Y型三通本体和导流板沿Y型三通的中心线呈对称结构。

进一步，所述Y型三通本体、法兰、导流板表面均设置有防锈漆。

本发明的另一目的在于提供一种矩形风管低阻型整流三通的设计方法，所述方法包括：

步骤一、确定矩形风管低阻型整流三通内流体流场状态，根据三通进出口尺寸以及三通内流体速度，采用雷诺应力模型，模拟出三通内的速度场分布以及压力场分布，得到三通的压力损失及三通出口截面的气流不均匀度；

步骤二、列出导流板在三通内可能最优的相对位置，在添加导流板的情况下对三通进行模拟，并计算添加各相对位置导流板条件下三通的阻力损失以及三通出口截面的气流不均匀度；

步骤三、计算各导流板的减阻率，将各导流板减阻率、气流不均匀度进行比较，选出减阻率和气流不均匀度均优于未添加导流板时的对应参数的导流板，选出的导流板的位置即为导流板在三通内的最佳减阻整流位置。

进一步，所述步骤一确定矩形风管低阻型整流三通内流体流场状态中，建立的三通模型在入口和出口添加直管段，用于模拟出气流流经三通前和流经三通后的流动状态。

进一步，根据入口尺寸和出口尺寸以及管道入口流体速度，采用RSM模型对未添加导流板和添加导流板的三通进行模拟，模拟出气流流经三通及流经三通后的速度分布和压力分布，计算三通的局部阻力和气流不均匀度。

进一步，所述步骤一中的三通出口截面的气流不均匀度的计算方法如下：

在风管截面上选择n个测点，分别测得各点在流动方向上的分速度，求得算数平均值：

则不均匀度为：

气流不均匀度k为无量纲数，k值越小，气流的均匀性越好。

进一步，所述步骤一、二中求得三通的局部阻力(记为ΔP)后，计算出局部阻力系数：

其中，ΔP为三通局部阻力，Pa；ρ为空气密度，kg/m³，v为三通出口速度,m/s。

减阻率η为：

其中，η为导流板减阻率，ξ_现为添加导流板的三通局部阻力系数，ξ_原为未添加导流板的三通局部阻力系数。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明当气流进入三通后，经导流板的分流作用，气流分成两部分，分别从导流板上方和下方流向三通出口直管段。导流板合理的曲率设计可以使下方气流沿着导流板流动而不产生涡流，减小气流在三通内的阻力损失。同时，导流板上下两部分的风量大致相等，使得气流流入支管段后上方和下方气流速度分布较为均匀，提高了气流的均匀性，达到整流的目的。

本发明通过导流板对气流的引导，改变气流在三通内部以及下游直管段的分布，从而达到减小阻力损失和整流的目的。

第二，本发明的矩形风管低阻型整流三通，采用导流板引导和分配气流，可以减小气流在三通内产生的涡流，降低风系统局部阻力，节约能耗，同时改变在三通以及出口直管段的气流分布，改善气流均匀性，达到整流的目的。

第三，本发明的应用可使气流在三通处的阻力损失减小，对于含有多个三通构件的风系统，可以减小整个风系统的能耗，降低风系统的运营成本；同时对于气流均匀性要求较高的场景下，本发明能够改善三通下游气流均匀性；当下游管段连接有其它局部构件时，本发明能够在较短的距离内改善气流均匀性，减小局部阻力构件间的相互影响。

第四，在现有的对三通的研究中，多数学者研究的方向集中在减阻方面，对于减阻的同时并改善气流均匀度方面的研究较少。在风系统的实际运行过程中，由于三通会改变气流的流动方向，会使气流流动变得不稳定，当三通下游连接有其它局部构件时，入口不稳定的气流流经局部构件后会更加不稳定，同时会使局部阻力增大，这是人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题。本发明的意义在于减小局部阻力的同时改善气流均匀性，在三通后较短的距离内提高气流均匀性，减小因气流组织不均匀对下游直管段或局部构件的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的矩形风管低阻型整流三通的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的法兰的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的导流板相对位置示意图；

图4是本发明实施例提供的为添加不同导流板对三通的减阻率示意图；

图5是本发明实施例提供的为添加导流板和未添加导流板的气流不均匀度示意图。

图中：1、Y型三通本体；2、导流板；3、法兰；4、螺孔；5、三通进口；6、三通出口。

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白，以下结合实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的矩形风管低阻型整流三通的具体的方案如下：

当气流从三通进口进入三通本体时，气流会受到导流板的影响，导流板可以引导气流沿着合适的方向流动，并减小气流的湍流和阻力。导流板与Y型三通本体的上下壁面相连接，可以限制气流的横向流动，从而减小气流的湍流和阻力。

当气流通过导流板后，会进入三通本体的内腔，内腔两侧的导流板可以进一步引导气流沿着合适的方向流动，并减小气流的湍流和阻力。由于Y型三通本体的两侧出口尺寸相同，气流可以平稳地从两侧出口流出，减小气流的湍流和阻力。

最后，三通进口和三通出口外端均连接有法兰，可以方便地连接其他管道和设备。

矩形风管低阻型整流三通通过设置导流板和优化内腔结构，可以减小气流的湍流和阻力，提高气流的流畅性和效率。

本发明实施例提供的矩形风管低阻型整流三通具有以下优点：

1)通过导流板的对称结构设计，将进入三通的气流均匀分成两部分，从而减小了气流在出口处产生的涡流，改善了气流的均匀流动性，从而减小了气流在三通处的阻力损失。

2)采用矩形风管低阻型整流三通的设计方案，将气流沿着预定的流线流动，从而减小了流动阻力和湍流程度，提高了气流的流动效率和稳定性。

3)通过采用先进的制造技术和智能化控制技术，以及考虑多种气流工况和实际应用场景，实现了矩形风管低阻型整流三通的优化设计和应用，从而提高了风系统的效率和稳定性，并满足了节能和环保的要求。

本发明实施例当气流进入矩形风管低阻型整流三通的入口时，气流会受到导流板的影响，被均匀地分成两部分，从导流板上方和下方分别流向三通的出口。导流板的对称结构设计和流线型导流板的形状，使得气流在流经三通时沿着预定的流线流动，减小了气流的弯曲和涡流程度，从而减小了气流在三通处的阻力损失和能量损失。此外，导流板的位置和形状也可以根据具体的气流工况和应用要求进行优化设计，以达到最佳的流动效果和节能效果。

因此，本发明实施例提供的矩形风管低阻型整流三通具有优异的气流流动性能和节能效果，适用于各种风系统的建设和改造。

以下结合附图进行进一步说明：

如图1所示，本发明实施例提供的矩形风管低阻型整流三通包括Y型三通本体1，导流板2以及法兰3。导流板3在三通内部呈对称结构，与上下壁面的连接可采用焊接或者胶接的方式。导流板在三通内的位置示意图如图3所示。三通入口5和出口6均设有法兰5，并设置有螺孔4。其中，螺孔4的数量和直径需根据三通进口5和出口6的尺寸确定。当气流进入三通后，导流板2将一侧的气流均匀分成两部分，气流分别从导流板上方和下方流向三通出口。

如图2所示，本发明实施例中的三通进出口的法兰3上的螺孔4数量和直径需根据三通实际尺寸进行确定。

本发明通过RSM模型模拟得出流过矩形风管低阻型整流三通后流体的速度分布以及压力分布，根据矩形风管低阻型整流三通的局部阻力和流经三通后的气流组织不均匀度确定导流板的相对位置。

本发明的工作原理：本发明实施例中的矩形风管低阻型整流三通的设计方法包括以下步骤：

步骤一、确定矩形风管低阻型整流三通内流体流场状态。建立的三通模型可在入口和出口添加直管段，以便可以模拟出气流流经三通前和流经三通后的流动状态。根据入口尺寸和出口尺寸以及管道入口流体速度，采用RSM模型对未添加导流板的三通进行模拟，模拟出气流流经三通及流经三通后的速度分布和压力分布，计算三通的局部阻力和气流不均匀度。

步骤二、列出导流板在三通内可能最优的相对位置，在添加导流板的情况下对三通进行模拟，并计算三通的局部阻力和气流不均匀度。

步骤三、计算减阻率，添加不同导流板情况下三通的减阻率和气流不均匀度，选出减阻率和气流不均匀度均优于未添加导流板的对应参数的导流板，该情况下导流板的相对位置为导流板在该三通内的最佳减阻整流位置。

以矩形风管低阻型整流三通的导流板位置确定过程为例，首先确定管道各部分尺寸，其中三通入口的尺寸为400mm×320mm，三通出口尺寸为320mm×320mm，三通的曲率半径为320mm，入口直管段的长度为5m，出口直管段的长度为10m。

表中，b₁、b₂、b₃分别为导流板首中末端与内壁面的距离，B₁、B₂分别为三通入口和出口的宽度。

用RSM模型进行模拟求解，求得不同导流板的减阻率；求得距三通出口1D、2D、3D...18D截面处的气流不均匀度k。(D为三通出口宽度)。

上述三通气流不均匀度的计算方法如下：

在风管截面上选择n个测点，分别测得各点在流动方向上的分速度u_i，求得算数平均值：

则不均匀度为：

气流不均匀度k为无量纲数，k值越小，气流的均匀性越好。实例中，每个截面选择25个测点，测得25个点处沿流动方向的分速度，代入上式求得各个截面的气流不均匀度。

对三通内气流参数进行整理得到图4所示的导流板减阻率，由于导流板E减阻率为负值，因此将导流板E剔除，只对减阻率为正的导流板进行比较。比较三通减阻率，确定减阻效果最佳的导流板为H。

图5为气流不均匀度分布图，将导流板H和未添加导流板I情况下的气流不均匀度进行比较，得出在三通出口0～4D的直管段内导流板H气流不均匀度小于未添加导流板I，即导流板H具有改善气流组织均匀性的效果。

根据上述结果，可知导流板H的减阻及整流效果均较好，因此对于进口尺寸400mm×320mm，出口尺寸为320mm×320mm，曲率半径为320mm的三通，导流板的相对位置为0.6-0.5-0.6为最佳导流板位置。

本例中得出最佳位置的导流板只是相对于已罗列出的导流板，在确定不同尺寸的三通导流板的最佳位置时，需根据实际情况选择需要模拟导流板相对位置的数量，测点位置及测点数量。

该矩形风管低阻型整流三通的详细工作原理：

1)结构描述：矩形风管低阻型整流三通包括Y型三通本体1、导流板2和法兰3。导流板2在三通内部具有对称结构，并与上下壁面焊接或胶接连接。三通的入口5和出口6均设有法兰3，并设置有螺孔4。

2)气流分流：当气流进入矩形风管低阻型整流三通后，导流板2将一侧的气流均匀分成两部分，分别从导流板上方和下方流向三通的出口。这种设计可以有效地减小气流的阻力和组织不均匀度。

3)导流板位置：根据矩形风管低阻型整流三通的局部阻力和流经三通后的气流组织不均匀度，导流板的相对位置需要根据RSM模型的模拟结果进行确定。RSM模型可用于模拟流体的速度分布和压力分布，以指导导流板的安装位置。

4)法兰设计：三通的进出口法兰3上的螺孔4的数量和直径需要根据实际尺寸进行确定，以确保与其他风管或设备的连接和安装。

通过导流板的合理设计和调整，矩形风管低阻型整流三通可以实现气流的均匀分流和减小阻力，从而提高风管系统的效率和性能。RSM模型的应用可以指导导流板位置的优化，确保气流在三通内部的分布更加均匀。这样的设计可以降低风阻、减少噪音产生，并提高整个风管系统的工作效率。

该矩形风管低阻型整流三通的设计方法中的信号和数据处理过程如下：

步骤一：确定流场状态

确定矩形风管低阻型整流三通的进出口尺寸以及流体速度。

采用雷诺应力模型或其他适用的数值模拟方法，模拟三通内的速度场分布和压力场分布。

根据模拟结果，计算三通的压力损失和三通出口截面的气流不均匀度。

步骤二：导流板优化模拟

在已有三通模拟的基础上，考虑导流板的添加，并确定导流板可能的最优相对位置。

对带有导流板的三通进行模拟，计算不同相对位置导流板下的阻力损失和三通出口截面的气流不均匀度。

步骤三：导流板选择和位置确定

计算各导流板的减阻率，即添加导流板后的阻力损失相对于未添加导流板时的阻力损失的比率。

比较各导流板的减阻率和气流不均匀度，并选出减阻率和气流不均匀度均优于未添加导流板时的对应参数的导流板。

确定选出导流板的位置，该位置即为导流板在三通内的最佳减阻整流位置。

在信号和数据处理过程中，使用数值模拟方法对三通内的流场进行模拟，通过计算和比较不同导流板相对位置下的阻力损失和气流不均匀度，最终确定最佳的导流板位置。这个过程涉及模拟数据的处理、参数计算和比较分析，以获得最优设计方案。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矩形风管低阻型整流三通，其特征在于，所述三通包括：

Y型三通本体、贯穿三通的两块导流板、法兰；

所述Y型三通本体的两侧出口尺寸相同，所述Y型三通本体的内腔两侧设置有导流板，所述导流板与Y型三通本体的上下壁面相连接；

所述Y型三通本体的三通进口和三通出口外端均连接有法兰。

2.如权利要求1所述的矩形风管低阻型整流三通，其特征在于，所述Y型三通本体的进出口高度相等。

3.如权利要求1所述的矩形风管低阻型整流三通，其特征在于，所述Y型三通本体、法兰、导流板均由钢板制成。

4.如权利要求1所述的矩形风管低阻型整流三通，其特征在于，所述导流板起始端位于三通进口处，末端位于三通出口处。

5.如权利要求1所述的矩形风管低阻型整流三通，其特征在于，所述Y型三通本体和导流板沿Y型三通的中心线呈对称结构。

6.如权利要求1所述的矩形风管低阻型整流三通，其特征在于，所述Y型三通本体、法兰、导流板表面均设置有防锈漆。

7.一种用于权利要求1～6任意一项所述矩形风管低阻型整流三通的矩形风管低阻型整流三通的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤一、确定矩形风管低阻型整流三通内流体流场状态，根据三通进出口尺寸以及三通内流体速度，采用雷诺应力模型，模拟出三通内的速度场分布以及压力场分布，得到三通的压力损失及三通出口截面的气流不均匀度；

步骤二、列出导流板在三通内可能最优的相对位置，在添加导流板的情况下对三通进行模拟，并计算添加各相对位置导流板条件下三通的阻力损失以及三通出口截面的气流不均匀度；

步骤三、计算各导流板的减阻率，将各导流板减阻率、气流不均匀度进行比较，选出减阻率和气流不均匀度均优于未添加导流板时的对应参数的导流板，选出的导流板的位置即为导流板在三通内的最佳减阻整流位置。

8.如权利要求7所述的矩形风管低阻型整流三通的设计方法，其特征在于，所述步骤一确定矩形风管低阻型整流三通内流体流场状态中，建立的三通模型在入口和出口添加直管段，用于模拟出气流流经三通前和流经三通后的流动状态。

9.如权利要求8所述的矩形风管低阻型整流三通的设计方法，其特征在于，根据入口尺寸和出口尺寸以及管道入口流体速度，采用RSM模型对未添加导流板和添加导流板的的三通进行模拟，模拟出气流流经三通及流经三通后的速度分布和压力分布，计算三通的局部阻力和气流不均匀度。

10.如权利要求7所述的矩形风管低阻型整流三通的设计方法，其特征在于，所述步骤一中的三通出口截面的气流不均匀度的计算方法如下：

在风管截面上选择n个测点，分别测得各点在流动方向上的分速度，求得算数平均值：

则不均匀度为：

气流不均匀度k为无量纲数，k值越小，气流的均匀性越好；

所述步骤一、二中求得三通的局部阻力(记为ΔP)后，计算出局部阻力系数：

其中，ΔP为三通局部阻力，Pa；ρ为空气密度，kg/m³，v为三通出口速度,m/s；

减阻率η为：

其中，η为导流板减阻率，ξ_现为添加导流板的三通局部阻力系数，ξ_原为未添加导流板的三通局部阻力系数。