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CN116579110A - 一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构 - Google Patents

一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构 Download PDF

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CN116579110A
CN116579110A CN202310495503.XA CN202310495503A CN116579110A CN 116579110 A CN116579110 A CN 116579110A CN 202310495503 A CN202310495503 A CN 202310495503A CN 116579110 A CN116579110 A CN 116579110A
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CN
China
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section
reducing
resistance
straight pipe
zeta
Prior art date
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Application number
CN202310495503.XA
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张志恒
张俊
刘波
李鸿斌
何庆国
王梦影
卢柯
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First Construction and Installation Co Ltd of China Construction Third Engineering Bureau Co Ltd
Original Assignee
First Construction and Installation Co Ltd of China Construction Third Engineering Bureau Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种减少通风空调管道阻力的设计方法，包括如下步骤：S01、确定待优化的风管尺寸及形式；S02、通过等分长度为L的变径段壁面，改变θ值，列出点Pi的位置，建立不同Pi点的模型；S03、对模型进行数值模拟，将模拟结果导出并计算局部阻力系数ζ的值，找出ζ'最小时P'点位置；S04、在P’的基础上进行网格搜索，通过调整Δx、Δy的值，重复S03步骤进一步进行优化，寻找使ζ'更小的P”；S05、经过上述步骤，可以得到局部阻力系数ζ值最小情况下P点的位置，并确定低阻力的通风管道结构。本发明提供的一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构，优化后的变径形式有效减小了变径处的局部阻力，且便于实际现场中的加工制造，成本低廉。

Description

一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构
技术领域
本发明涉及通风空调管道降阻技术领域，具体为一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构。
背景技术
随着我国城镇化的高速发展，建筑面积大幅增加，根据国家数据报告显示，2021年我国能源消耗总量为52亿吨标准煤，其中建筑行业占了33％。而建筑能源消耗主要发生在建筑建造阶段和运行阶段，其中建筑运行能耗约占建筑总能耗的80％。通风空调系统已成为现代建筑运行过程中不可或缺的组成部分，在建筑能耗中的占比约30—50％，而其中的风机能耗又占了通风系统能耗的30—50％。
通风空调管道系统的风机能耗主要是由管道沿程阻力和局部阻力引起的，其中局部阻力(流体流经局部构件时由于流向和流速发生改变时变，导致边界层分离产生漩涡而造成的能量损失)占通风空调管道总阻力的40％～60％，可见风管局部构件所造成的能耗之大，所以优化通风空调管道系统局部构件(包括阀门、分流三通、合流三通、弯头等)形式，减少管道系统阻力，是一个解决方向。
如中国专利CN113137737B公开了一种通风管道，可以有效减小变径湍流最大处的边界层高度，降低变径的能量耗散和减小阻力；
中国专利CN113639276A公开了一种防窜烟三通烟道及其控制方法，通过对三通烟道中导流片形状及位置的优化，实现在降低风机能耗的同时防窜烟；
中国专利CN110081185A公开了一种通风空调系统中的风阀，可以在相同口径，在不同风速下达到相对于传统单叶阀明显的减阻效果；
上述的现有对比专利中，少有针对减小变径处局部阻力且结构简单便于制造的发明，本发明旨在提供一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构，能减小变径处的局部阻力且便于实际现场中的加工制造，成本低廉。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构，目的是解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种减少通风空调管道阻力的设计方法，包括如下步骤：
S01、确定待优化的风管尺寸及形式；
S02、通过等分长度为L的变径段壁面，改变θ值，列出点Pi的位置，建立不同Pi点的模型；
S03、对模型进行数值模拟，将模拟结果导出并计算局部阻力系数ζ的值，找出ζ'最小时P'点位置；
S04、在P’的基础上进行网格搜索，通过调整Δx、Δy的值，重复S03步骤进一步进行优化，寻找使ζ'更小的P”；
S05、经过上述步骤，可以得到局部阻力系数ζ值最小情况下P点的位置，并确定低阻力的通风管道结构。
优选的，在S01中，将通风空调管道设定由进风直管段1、变径段2、出风直管段3组成，其中：
进风直管段1尺寸为a1×b1(宽×高)，出风直管段3尺寸为a3×b3(宽×高)，直管段1的水力直径Dh1、直管段3的水力直径Dh3计算公式如下。
变径段2连接在直管段1和直管段3中间，用作直管段尺寸变化时的过渡段，变径段2的形式包括底平偏心的渐缩管、底平偏心的渐扩管、顶平偏心的渐缩管、顶平偏心的渐扩管、双面的渐扩管和双面的渐缩管。
优选的，在S02中，定义变径段2的壁面长度为L，定义直管段1与变径段2的交点为O1，变径段2与直管段3的交点为O2；
对渐缩管，变径段2斜壁面与直管段3延伸线的夹角定义为θ；
对渐扩管，直管段1延伸线与变径段2斜壁面的夹角定义为θ；
建立不同Pi点模型的过程包括：
步骤一、将长为L的壁面以A、B、C三点四等分，分为四段长为L/4的线；
步骤二、接着以O2为圆心，分别绘制三条半径为O2A、O2B和O2C的曲线1、曲线2和曲线3，分别在这些曲线上假设点P；
步骤三、通过每次调整变径段壁面的角度，将θ减少或增大2度角，θ角所延伸的直线与曲线1、2、3的交点即为P点；
步骤四、在曲线1、曲线2和曲线3上假设Pi，对于每一个Pi，变径段2的壁面被分为两个新的部分，并形成了一个新的形状的变径段2，基于此，进行通风管道的建模。
优选的，在S03中，建模完成后，选择结构网格进行网格划分，利用CFD仿真软件对不同模型的流体流动进行模拟，选择RSM湍流模型，近壁函数选择的是可扩展的壁函数，管道进口条件设为velocity-inlet，管段出口条件为pressure-outlet，其他风管管段壁面边界条件为Wall，壁面采用无滑移边界条件，管壁粗糙度设置为0.15mm；
压力速度耦合方式采用SIMPLE算法，动量、湍动能、湍流耗散率、雷诺应力的离散化采用二阶迎风格式，压力的离散化采用Standard形式，采用稳态法进行计算；
数值模拟收敛后，导出平面压力、速度等数据，进行局部阻力系数ζ的计算，计算公式如下：
式(3)中
ΔPt,3-4＝ΔPs,1-2+(Pv1-Pv2)-(L1-3ΔPf,1-3+L4-2ΔPf,4-2) (4)
其中，ΔPt,3-4表示截面3与截面4的全压差，单位Pa；ΔPs,1-2表示压力测试断面P-1与测试面P-2的静压差，单位Pa；Pv1和Pv2分别表示压力测试面P-1的动压和P-2的动压，单位Pa；L1-3和L4-2分别表示测试面3到截面1间的距离和测试面4到截面2间的距离；ΔPf,1-3和ΔPf,4-2分别表示测试面1到截面3间的沿程阻力和测试面4到截面2间的沿程阻力，用式(6)和式(7)计算，单位Pa。
式中，ΔPs,1-3表示测试面1与截面3的静压差，单位Pa；ΔPs,4-2表示测试面4与截面2的静压差，单位Pa；
经以上步骤，可计算出不同Pi点建模的风管的局部阻力系数ζ'值，利用下式计算局部阻力损失的减阻率rζ
其中ζ和ζ'分别表示传统不改变形状的通风管道局部阻力系数和改变形状后通风管道的局部阻力系数；
同一批模型下局部阻力系数ζ'最小(即减阻率rζ最大)的模型所对应的P点位置P'即为这一步骤中寻找到的最优位置。
优选的，在S04中，因此通过“网格搜索”继续寻找最佳点：
将P'点横向距离移动Δx、纵向距离移动Δy，Δx、Δy的数值根据模型的尺度确定，可以确定N个点(如图7中示意的20个点)；
再将确定的N各点，重复S03的步骤，进行风管建模和数值模拟，继续对比局部阻力系数ζ值，判断是否存在让步骤S03得到的局部阻力系数ζ'更小(减阻率rζ更大)的P”位置。
一种减少通风空调管道阻力的设计方法得到的通风管道结构。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明提供的一种减少通风空调管道阻力的设计方法及结构，优化后的变径形式有效破坏了末端产生的较大漩涡，将大的涡旋分为了两个更小的漩涡，弱化了连接处的流体形变，使变径末端的速度分布更加对称，同时涡漩对管段下游的速度影响也变小，相比原始管道，优化后的管道下半段直管段，紧贴壁面处的速度梯度变化率减小，故而达到了减小阻力的效果，且便于实际现场中的加工制造，成本低廉。
附图说明
图1是一种减少通风空调管道阻力设计方法的具体步骤；
图2是本发明通风管道的结构示意图；
图3是本发明不同通风管道变径形式示意图；
图4是一种减少通风管道阻力的设计方法中S02步骤寻找Pi的原理示意图；
图5是一种减少通风管道阻力的设计方法中S02步骤的不同情况下寻找Pi点的位置示意图；
图6是通风管道内流体达到充分发展时管道尺寸要求及设计方法中S03步骤的局部阻力系数的计算截面示意图；
图7是一种减少通风管道阻力的设计方法中S04步骤中进一步网格搜索的原理示意图；
图8是实施例中风管尺寸的示意图；
图9是实施例中风管阻力的优化结果图，图9(a)是实施例在步骤S02、S03优化的结果，图9(b)是实施例在步骤S04网格搜索再优化的结果；
图10是实施例中步骤S05最终确定的风管结构；
图11是实施例在不同风速下的减阻率对比图；
图12是实施例的速度云图对比图，
图中，1、进风直管段；2、变径段；3、出风直管段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种减少通风空调管道阻力的设计方法主要分为以下几个步骤。
第一步S01，确定待优化的风管尺寸及形式。
具体地，如图2所示，通风空调管道是由进风直管段1、变径段2、出风直管段3组成，进风直管段1尺寸为a1×b1(宽×高)，出风直管段3尺寸为a3×b3(宽×高)，直管段1的水力直径Dh1、直管段3的水力直径Dh3计算公式如下。
变径段2连接在直管段1和直管段3中间，用作直管段尺寸变化时的过渡段，变径段2的形式包括如图3所示的底平偏心渐缩管、底平偏心渐扩管、顶平偏心渐缩管、顶平偏心渐扩管、双面渐扩变径、双面渐缩变径。
第二步S02，通过等分长度为L的变径段壁面，改变θ值，列出点Pi的位置，建立不同Pi点的模型。
具体地，首先，如图3所示定义变径段2的壁面长度为L，定义直管段1与变径段2的交点为O1，变径段2与直管段3的交点为O2。对渐缩管，变径段2斜壁面与直管段3延伸线的夹角定义为θ；对渐扩管，直管段1延伸线与变径段2斜壁面的夹角定义为θ。
以图3(a)的底平偏心渐缩管为例说明优化方法，将长为L的上壁面以A、B、C三点四等分，分为四段长为L/4的线，接着以O2为圆心，分别绘制三条半径为O2A、O2B、O2C的曲线1、曲线2、曲线3，如图4所示。分别在这些曲线上假设点P，通过每次调整变径段上壁面的角度，将θ减少或增大2度角，θ角所延伸的直线与曲线1、2、3的交点即为P点。如图5(a)所示，在曲线A上假设Pi；如图5(b)，在曲线B上假设Pi；如图5(c)，在曲线C上假设Pi。对于每一个Pi，变径段2的上壁被分为两个新的部分，并形成了一个新的形状的变径段2。基于此，进行通风管道的建模，建模时上下游直管段的长度要求如图6所示。
上述方法中，为了减少建模工作质量或者为了让结果更加准确，也可进行三等分或者五等分、六等分…，角度θ的调整也可以更加粗糙或者细化，以3度、1度、0.5度等作为变量。其他变径形式的优化方法同上，在此不做赘述。
第三步S03，对模型进行数值模拟，将模拟结果导出并计算局部阻力系数ζ的值，找出ζ'最小时P'点位置。
具体地，在建模完成，选择结构网格进行网格划分，利用CFD仿真软件对不同模型的流体流动进行模拟，选择RSM湍流模型，近壁函数选择的是可扩展的壁函数，管道进口条件设为velocity-inlet，管段出口条件为pressure-outlet，其他风管管段壁面边界条件为Wall，壁面采用无滑移边界条件，管壁粗糙度设置为0.15mm。压力速度耦合方式采用SIMPLE算法，动量、湍动能、湍流耗散率、雷诺应力的离散化采用二阶迎风格式，压力的离散化采用Standard形式，采用稳态法进行计算。
数值模拟收敛后，根据图6所示导出平面压力、速度等数据，进行局部阻力系数ζ的计算，计算公式如下：
式(3)中
ΔPt,3-4＝ΔPs,1-2+(Pv1-Pv2)-(L1-3ΔPf,1-3+L4-2ΔPf,4-2) (4)
其中，ΔPt,3-4表示截面3与截面4的全压差，单位Pa；ΔPs,1-2表示压力测试断面P-1与测试面P-2的静压差，单位Pa；Pv1和Pv2分别表示压力测试面P-1的动压和P-2的动压，单位Pa；L1-3和L4-2分别表示测试面3到截面1间的距离和测试面4到截面2间的距离；ΔPf,1-3和ΔPf,4-2分别表示测试面1到截面3间的沿程阻力和测试面4到截面2间的沿程阻力，用式(6)和式(7)计算，单位Pa。
式中，ΔPs,1-3表示测试面1与截面3的静压差，单位Pa；ΔPs,4-2表示测试面4与截面2的静压差，单位Pa。
经以上步骤，可计算出不同Pi点建模的风管的局部阻力系数ζ'值，利用下式计算局部阻力损失的减阻率rζ
其中ζ和ζ'分别表示传统不改变形状的通风管道局部阻力系数和改变形状后通风管道的局部阻力系数。
同一批模型下局部阻力系数ζ'最小(即减阻率rζ最大)的模型所对应的P点位置P'即为这一步骤中寻找到的最优位置。
第四步S04，在P’的基础上进行网格搜索，通过调整Δx、Δy的值，重复S03步骤进一步进行优化，寻找使ζ'更小的P”。
具体地，如图7所示，在微小距离内，P'点周围可能存在其他使局部阻力系数值更小的位置，因此通过“网格搜索”继续寻找最佳点。将P'点横向距离移动Δx、纵向距离移动Δy，Δx、Δy的数值根据模型的尺度确定，可以确定N个点(如图7中示意的20个点)，再将确定的N各点，重复S03的步骤，进行风管建模和数值模拟，继续对比局部阻力系数ζ值，判断是否存在让步骤S03得到的局部阻力系数ζ'更小(减阻率rζ更大)的P”位置。
第五步S05，经过上述步骤，可以得到局部阻力系数ζ值最小情况下P点的位置，并确定低阻力的通风管道结构。
实施例1
以宽×高为250mm×250mm和250mm×160mm规格的两段风管为例进行说明，如图8所示，直管段1长4500mm，变径段长155.88mm，直管段2长为3200mm，原始角度θ为30°，风管形式为底平偏心渐缩变径。
将其如图5所示的进行四等分，生成A、B、C三点，接着以O2为圆心，分别绘制三条半径为O2A、O2B、O2C的曲线1、曲线2、曲线3，再依次偏斜变径段上壁面的角度，角度θ的值依次增大或减小2°，即可确定不同的Pi点。除去原始变径的30°外，有10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、32、34、36、38、40、42形成16种情况，则总共有48种模型需要进行建模并模拟对比其局部阻力系数ζ。
整理的模拟结果如图9(a)所示，可以发现在A点处的曲线1，结合18°角度所形成的新型变径在48种工况中的局部阻力系数更小(减阻率rζ＝5.914％)效果最好，此点即为步骤S03中找寻的P'。
接下来，在P'的基础上，在x、y平面内，以P'为中心点移动其位置，将Δx、Δy确定为5mm，即可生成如图9(b)所示的含P'在内的25个点的位置，对这些模型依次进行建模并模拟对比其局部阻力系数ζ。
整理的模拟结果如图9(b)所示，可以发现，在Δx＝10mm，Δy＝-5mm时，该点所形成的新型变径在25种工况中的局部阻力系数更小(减阻率rζ＝6.219％)，效果最好，此点即为步骤S04中找寻的P”，P”的坐标为(4623.083,168.906)。
至此，即确定了图10所示的实施例1的低阻力通风管道结构。
进一步分析：
(1)风速对新型变径减阻率的影响
上述工况皆是在风速7m/s的情况下进行，为了使验证不同风速下的减阻效果，在风速为3-13m/s下，分别进行模拟，通过导出新型变径装置与传统通风管道的前后测试断面压力差ΔPt,3-4以及Pv2值，计算减阻率如下表所示：
表1传统通风管道和新型变径测试断面的压力差ΔPt,3-4及ζ值
如图11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5.875％～29.839％。
(2)新型变径与传统通风管道速度云图分析
本研究通过模拟速度场，截取Z等于1/2管宽度(即Z＝125mm)时的x0y平面，观察对比了优化前后变径内的速度场如图12。由对比图可看出，由于将原始一个壁面分为两个相连接壁面的结构上的变化，优化后的变径形式有效破坏了末端产生的较大漩涡，将大的涡旋分为了两个更小的漩涡，弱化了连接处的流体形变，使变径末端的速度分布更加对称，同时涡漩对管段下游的速度影响也变小。相比原始管道，优化后的管道下半段直管段，紧贴壁面处的速度梯度变化率减小，故而达到减小阻力的效果。
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 (6)

1.一种减少通风空调管道阻力的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01、确定待优化的风管尺寸及形式；
S02、通过等分长度为L的变径段壁面，改变θ值，列出点Pi的位置，建立不同Pi点的模型；
S03、对模型进行数值模拟，将模拟结果导出并计算局部阻力系数ζ的值，找出ζ'最小时P'点位置；
S04、在P’的基础上进行网格搜索，通过调整Δx、Δy的值，重复S03步骤进一步进行优化，寻找使ζ'更小的P”；
S05、经过上述步骤，可以得到局部阻力系数ζ值最小情况下P点的位置，并确定低阻力的通风管道结构。
2.根据权利要求1所述的一种减少通风空调管道阻力的设计方法，其特征在于：在S01中，将通风空调管道设定由进风直管段1、变径段2、出风直管段3组成，其中：
进风直管段1尺寸为a1×b1(宽×高)，出风直管段3尺寸为a3×b3(宽×高)，直管段1的水力直径Dh1、直管段3的水力直径Dh3计算公式如下：
变径段2连接在直管段1和直管段3中间，用作直管段尺寸变化时的过渡段，变径段2的形式包括底平偏心的渐缩管、底平偏心的渐扩管、顶平偏心的渐缩管、顶平偏心的渐扩管、双面的渐扩管和双面的渐缩管。
3.根据权利要求2所述的一种减少通风空调管道阻力的设计方法，其特征在于：在S02中，定义变径段2的壁面长度为L，定义直管段1与变径段2的交点为O1，变径段2与直管段3的交点为O2；
对于渐缩管，变径段2斜壁面与直管段3延伸线的夹角定义为θ；
对于渐扩管，直管段1延伸线与变径段2斜壁面的夹角定义为θ；
建立不同Pi点模型的过程包括：
步骤一、将长为L的壁面以A、B、C三点四等分，分为四段长为L/4的线；
步骤二、接着以O2为圆心，分别绘制三条半径为O2A、O2B和O2C的曲线1、曲线2和曲线3，分别在这些曲线上假设点P；
步骤三、通过每次调整变径段壁面的角度，将θ减少或增大2度角，θ角所延伸的直线与曲线1、2、3的交点即为P点；
步骤四、在曲线1、曲线2和曲线3上假设Pi，对于每一个Pi，变径段2的壁面被分为两个新的部分，并形成了一个新的形状的变径段2，基于此，进行通风管道的建模。
4.根据权利要求1所述的一种减少通风空调管道阻力的设计方法，其特征在于：在S03中，建模完成后，选择结构网格进行网格划分，利用CFD仿真软件对不同模型的流体流动进行模拟，选择RSM湍流模型，近壁函数选择的是可扩展的壁函数，管道进口条件设为velocity-inlet，管段出口条件为pressure-outlet，其他风管管段壁面边界条件为Wall，壁面采用无滑移边界条件，管壁粗糙度设置为0.15mm；
压力速度耦合方式采用SIMPLE算法，动量、湍动能、湍流耗散率、雷诺应力的离散化采用二阶迎风格式，压力的离散化采用Standard形式，采用稳态法进行计算；
数值模拟收敛后，导出平面压力、速度等数据，进行局部阻力系数ζ的计算，计算公式如下：
式(3)中
ΔPt，3-4＝ΔPs，1-2+(Pv1-Pv2)-(L1-3ΔPf，1-3+L4-2ΔPf，4-2) (4)
其中，ΔPt，3-4表示截面3与截面4的全压差，单位Pa；ΔPs，1-2表示压力测试断面P-1与测试面P-2的静压差，单位Pa；Pv1和Pv2分别表示压力测试面P-1的动压和P-2的动压，单位Pa；L1-3和L4-2分别表示测试面3到截面1间的距离和测试面4到截面2间的距离；ΔPf，1-3和ΔPf，4-2分别表示测试面1到截面3间的沿程阻力和测试面4到截面2间的沿程阻力，用式(6)和式(7)计算，单位Pa：
式中，ΔPs，1-3表示测试面1与截面3的静压差，单位Pa；ΔPs，4-2表示测试面4与截面2的静压差，单位Pa；
经以上步骤，可计算出不同Pi点建模的风管的局部阻力系数ζ’值，利用下式计算局部阻力损失的减阻率rζ
其中ζ和ζ’分别表示传统不改变形状的通风管道局部阻力系数和改变形状后通风管道的局部阻力系数；
同一批模型下局部阻力系数ζ’最小(即减阻率rζ最大)的模型所对应的P点位置P’即为这一步骤中寻找到的最优位置。
5.根据权利要求1所述的一种减少通风空调管道阻力的设计方法，其特征在于：在S04中，因此通过“网格搜索”继续寻找最佳点：
将P’点横向距离移动Δx、纵向距离移动Δy，Δx、Δy的数值根据模型的尺度确定，可以确定N个点(如图7中示意的20个点)；
再将确定的N各点，重复S03的步骤，进行风管建模和数值模拟，继续对比局部阻力系数ζ值，判断是否存在让步骤S03得到的局部阻力系数ζ'更小(减阻率rζ更大)的P”位置。
6.根据权利要求1所述的一种减少通风空调管道阻力的设计方法，其特征在于，包括根据所述减少通风空调管道阻力的设计方法得到的通风管道结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118821655A (zh) * 2024-07-15 2024-10-22 合肥工业大学 一种流延辊流道内阻力损失的预测方法、介质和设备

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