一种基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱的制作方法

1.本发明属于管道局部构件技术领域，特别涉及一种基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱。


背景技术：

2.在通风空调系统中，风机所消耗的能源一般能占空调总能耗的30%~50%。因此，通过对通风空调管道的局部构件进行结构优化，可以降低风管的局部阻力，显著的降低风机能耗，这对提升能源的利用率、节约能源具有重要的工程意义。
3.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。但是对于静压箱的研究，不仅从近二十年才开始涉足，而且只停留在局部阻力系数测量，研究比较浅显。
4.风管静压箱虽然是一个非常普通的局部构件，但是他在通风空调领域是一个重要的流体输配装置，是不可或缺的。与此同时，静压箱在建筑物中数量众多，因其产生的局部阻力所引起的能耗同样巨大。
5.因此，发明一种基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱来解决上述问题很有必要。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱，包括静压箱本体，所述静压箱本体处于新风机房内部，所述静压箱本体包括上游风管和下游风管，所述上游风管的进风口与新风机的输出端连接，且新风机的输入端通过百叶送风口与室外连通，所述下游风管的出风口通过防火阀与送风管连通，且送风管输出端与室内连通；所述静压箱本体内部设置有导流叶片，所述上游风管和下游风管通过导流叶片连通。
8.进一步的，所述导流叶片包括第一导流片、第二导流片和第三导流片，第一导流片一端与上游风管的侧边连接，第二导流片一端与第一导流片的另一端连接，第二导流片另一端与下游风管的侧边连接，所述上游风管的另一侧边以及下游风管的另一侧侧面分别与第三导流片的两端连接；所述第一导流片和第二导流片处于上游风管和下游风管连接的外侧拐角处，所述第三导流片处于上游风管和下游风管连接的内侧拐角处。
9.进一步的，所述上游风管的宽度设置为d1，所述下游风管的宽度设置为d2，所述第二导流片的长度与上游风管的宽度相等，第一导流片的长度与下游风管的宽度相等。
10.进一步的，所述第一导流片、第二导流片和第三导流片均设置为弧形结构，所述第一导流片的弧面设置为arc l，第二导流片的弧面设置为arc t，第三导流片的弧面设置为arc r；所述第一导流片的弧面上凸或下凹高度h
arc l
=h1/[（d1 d2）/2]，所述第二导流片的弧面上凸或下凹高度h
arc t
=h2/[（d1 d2）/2]，所述第三导流片的弧面上凸或下凹高度h
arc r
=h3/[（d1 d2）/2]。
[0011]
进一步的，所述导流叶片的弧面上凸或下凹高度与静压箱本体的局部阻力系数对应匹配，所述静压箱本体的局部阻力系数设置为：其中，p
d2
和p
d1
分别为静压箱本体的上游风管和下游风管截面的全压值，ρ为空气密度，v
d2
为下游风管截面的风速，0.5ρv
d22
为下游风管的截面动压。
[0012]
进一步的，所述第一导流片的弧面arc l包括六种弧面形式，分别设置为l1、l2、l3、l4、l5和l6，且弧面arc l的弧面形式设置为l5，弧面arc l设置为平面，弧面arc l的弧面形式由l1向l6变化时，其弧面arc l逐渐由上凸向下凹转变。
[0013]
进一步的，所述第二导流片的arc t包括六种弧面形式，分别设置为t1、t2、t3、t4、t5和t6，且弧面arc t的弧面形式设置为t5，弧面arc t设置为平面，弧面arc t的弧面形式由t1向t6变化时，其弧面arc t逐渐由上凸向下凹转变。
[0014]
进一步的，所述第三导流片的弧面arc r包括四种弧面形式，分别设置为r1、r2、r3和r4，且弧面arc r的弧面形式设置为r2，弧面arc r设置为平面，弧面arc r的弧面形式由r1向r4变化时，其弧面arc r逐渐由下凹向上凸转变。
[0015]
本发明的技术效果和优点：1、本发明通过对静压箱本体的能量耗散场分析可知，采用第一导流片、第二导流片和第三导流片的静压箱本体一方面降低了直角突变处的能量耗散强度，另一方面使进入下游风管的流体有一个缓冲，使流体进入下游风管之前速度梯度变化幅度小，从而降低流体阻力。
[0016]
2、本发明通过第一导流片、第二导流片和第三导流片将静压箱本体隔开了两个涡旋区，使静压箱本体内部只有一个正向作用流场，减小了阻力，且第一导流片、第二导流片和第三导流片一方面缓解了直角尖锐的情况，明显降低了第二导流片的弧面arc t能量耗散强度，另一方面使进入下游风管的流体有一个缓冲，使流体进入下游风管之前速度梯度变化幅度小，且第二导流片的弧面arc t采用弧面结构形式，具有一定倾斜角度的第二导流片使得剖面结构在静压箱本体与下游风管的截面区域内，下游风管边壁的能量耗散强度降低，从而降低了局部阻力。
[0017]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
[0019]
图1示出了本发明实施例的基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱整体布置示意图；图2示出了本发明实施例的带平面导流片静压箱本体和传统静压箱的对比示意图；图3示出了本发明实施例的带平面导流片静压箱本体和传统静压箱的阻力系数对比图；图4示出了本发明实施例的静压箱本体内部的第一导流片、第二导流片和第三导流片结构示意图；图5示出了本发明实施例的第一导流片的弧面arc l在不同弧面形式下的减阻率折线图；图6示出了本发明实施例的第二导流片的弧面arc t在不同弧面形式下的减阻率折线图；图7示出了本发明实施例的第三导流片的弧面arc r在不同弧面形式下的减阻率折线图；图8示出了本发明实施例的静压箱本体内部的综合优化弧面的减阻率折线图；图9示出了本发明实施例的静压箱本体内的能量耗散率场的纵剖面示意图；图10示出了本发明实施例的静压箱本体内的能量耗散率场的横剖面示意图；图11示出了本发明实施例的静压箱本体和传统静压箱的流体速度矢量对比图；图中：1、静压箱本体；2、新风机房；3、上游风管；4、下游风管；5、新风机；6、百叶送风口；7、防火阀；8、送风管；9、第一导流片；10、第二导流片；11、第三导流片。
具体实施方式
[0020]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
[0021]
本发明提供了一种基于耗散分析的带有变弧线导流叶片的风管静压箱，如图1-3所示，包括静压箱本体1，所述静压箱本体1处于新风机房2内部，所述静压箱本体1包括上游风管3和下游风管4，所述上游风管3的进风口与新风机5的输出端连接，且新风机5的输入端通过百叶送风口6与室外连通，所述下游风管4的出风口通过防火阀7与送风管8连通，且送风管8输出端与室内连通。新风机房2利用新风机5输入端的百叶送风口6抽取室外的空气，抽入的空气通过上游风管3通入静压箱本体1内部，再通过下游风管4和70
°
防火阀7排入到的送风管8，最后送风管8将空气送入室内。本发明实施例中选取的静压箱本体1的尺寸为1500
×
1500
×
500mm，上游风管3的尺寸为1000
×
500mm，下游风管4的尺寸为800
×
320mm，同时新风机5的风量在3000m3/h-6000m3/h之间。
[0022]
所述静压箱本体1内部设置有导流叶片，所述上游风管3和下游风管4通过导流叶
片连通。外界的空气从上游风管3流动到下游风管4时，通过设置的三个平面导流叶片，能够有效降低静压箱本体1内部的局部阻力系数，有效降低流体在静压箱本体1内部的阻力系数。
[0023]
如图4、图9和图10所示，所述导流叶片包括第一导流片9、第二导流片10和第三导流片11，第一导流片9一端与上游风管3的侧边连接，第二导流片10一端与第一导流片9的另一端连接，第二导流片10另一端与下游风管4的侧边连接，所述上游风管3的另一侧边以及下游风管4的另一侧侧面分别与第三导流片11的两端连接；所述第一导流片9和第二导流片10处于上游风管3和下游风管4连接的外侧拐角处，所述第三导流片11处于上游风管3和下游风管4连接的内侧拐角处。利用第一导流片9、第二导流片10以及第三导流片11从而将静压箱本体1内部分割成流体区和消声区。其中流体区处于第一导流片9、第二导流片10和第三导流片11之间，静压箱本体1内部的其他位置都是消声区。其中，由流体力学中的动能方程，影响静压箱本体1内阻力的主要影响参数实际上是流体形变所带来的能量耗散率。示例性的，静压箱本体1内部（h
arc l
=0.3、h
arc t
=0.1、h
arc r
=0.1）的风量工况为6000m3/h，且静压箱本体1的减阻率在16.14%-16.72%之间，方便对静压箱本体1内的能量耗散率场进行分析。
[0024]
在传统静压箱的三通中的直角边界处能够发现显著的能量耗散，其asd（加速度谱密度）的值在50m2/s3以上，而在静压箱本体1中由于弧面导流叶片的凸出，一方面缓解了直角尖锐的情况，明显降低了第二导流片10的弧面arc t能量耗散强度，另一方面使进入下游风管4的流体有一个缓冲，使流体进入下游风管4之前速度梯度变化幅度小。于此同时第二导流片10的弧面arc t采用弧面结构形式，具有一定倾斜角度的第二导流片10使得剖面结构在静压箱本体1与下游风管4的截面区域内，下游风管4边壁的能量耗散强度降低，从而降低了局部阻力。
[0025]
在图2和图4中，所述上游风管3的宽度设置为d1，所述下游风管4的宽度设置为d2，所述第二导流片10的长度与上游风管3的宽度相等，第一导流片9的长度与下游风管4的宽度相等。所述第一导流片9、第二导流片10和第三导流片11均设置为弧形结构，所述第一导流片9的弧面设置为arc l，第一导流片9由上游风管3与静压箱本体1内部的左侧连接，第二导流片10的弧面设置为arc t，第二导流片10由下游风管4与静压箱本体1内部的上侧连接，第三导流片11的弧面设置为arc r，第三导流片11由上游风管3和下游风管4直接连接；所述第一导流片9的弧面上凸或下凹高度h
arc l
=h1/[（d1 d2）/2]，所述第二导流片10的弧面上凸或下凹高度h
arc t
=h2/[（d1 d2）/2]，所述第三导流片11的弧面上凸或下凹高度h
arc r
=h3/[（d1 d2）/2]。在静压箱本体1中，上游风管3设置为垂直进口，下游风管4设置为水平出口。
[0026]
其中，h1为第一导流片9其弧面突出传统平面的高度，h2为第二导流片10其弧面突出传统平面的高度，h3为第三导流片11其弧面突出传统平面的高度。而h
arc l
、h
arc t
和h
arc r
分别设置为第一导流片9、第二导流片10以及第三导流片11的无量纲弧线高度，且h的数值大小代表其弧面上凸或下凹的程度，其中正值代表上凸，负值代表下凹，本发明实施例中的h均设置为正值。示例性的，h
arc l
为0.1时，第一导流片9的弧面上凸。
[0027]
在图4中，所述导流叶片的弧面上凸或下凹高度与静压箱本体1的局部阻力系数对应匹配，所述静压箱本体1的局部阻力系数设置为：
其中，p
d2
和p
d1
分别为静压箱本体1的上游风管3和下游风管4截面的全压值，ρ为空气密度，v
d2
为下游风管4截面的风速，0.5ρv
d22
为下游风管4的截面动压。
[0028]
在图4中，所述第一导流片9的弧面arc l包括六种弧面形式，分别设置为l1、l2、l3、l4、l5和l6，且弧面arc l的弧面形式设置为l5，弧面arc l设置为平面，即为传统平面l5，弧面arc l的弧面形式由l1向l6变化时，其弧面arc l逐渐由上凸向下凹转变。所述第二导流片10的arc t包括六种弧面形式，分别设置为t1、t2、t3、t4、t5和t6，且弧面arc t的弧面形式设置为t5，弧面arc t设置为平面，即为传统平面t5，弧面arc t的弧面形式由t1向t6变化时，其弧面arc t逐渐由上凸向下凹转变。所述第三导流片11的弧面arc r包括四种弧面形式，分别设置为r1、r2、r3和r4，且弧面arc r的弧面形式设置为r2，弧面arc r设置为平面，即为传统平面r2，弧面arc r的弧面形式由r1向r4变化时，其弧面arc r逐渐由下凹向上凸转变。
[0029]
在图5、图6和图7中，当第一导流片9的弧面arc l处于l2弧面形式时，第一导流片9表面的局部阻力系数最小。其中l2弧面形式比传统平面l5凸出的无量纲弧线高度h
arc l
=0.3，此种凸出的弧面形式会导致静压箱本体1内部横截面积增加，单位面积上流体的流速降低。流速绝对值的降低会降低流体变形的幅度，从而降低能量耗散，减少阻力，但是，弧面arc l凸出的同时导致流体流场本身体积的增加，这一增加又会带来新的流体变形。在两者配合下从而增加了下游风管4的截面动压，当第一导流片9的弧面arc l处于l2弧面形式时，第一导流片9表面的局部阻力系数最小。利用同样的方法，得出第二导流片10的弧面arc t处于t4弧面形式时，其中t4弧面形式比传统平面t5凸出的无量纲弧线高度h
arc t
=0.1。第三导流片11的弧面arc r处于r3弧面形式时，其中r3弧面形式比传统平面r2凸出的无量纲弧线高度h
arc r
=0.1。此时第二导流片10和第三导流片11表面的局部阻力系数最小。
[0030]
如图8所示，相对于传统静压箱以及带平面导流片的静压箱，静压箱本体1中综合后的优化弧面的阻力系数最小，当静压箱本体1内部的进风量由3000m3/h增大到6000m3/h时，静压箱本体1内部的阻力系数逐渐减小。其中，当第一导流片9的无量纲弧线高度h
arc l
=0.3、第二导流片10的无量纲弧线高度h
arc t
=0.1、第三导流片11的无量纲弧线高度h
arc r
=0.1时，能够得出静压箱本体1内部综合弧面的阻力系数最小，最大的减阻率为16.72%，对比与带平面导流片的静压箱最大减阻率为8.33%，对比于传统静压箱最大减阻率为18.29%。
[0031]
如图11所示，传统静压箱在左上角和右下角分别形成一个较大的涡旋，远离主流区。把整个静压箱分成三个部分，只有一个为主流区，是真正对通风流动起到驱动作用，另外两部分为涡旋区，会增加静压箱的局部阻力。而静压箱本体1则用第一导流片9、第二导流片10和第三导流片11隔开了两个涡旋区，使得旋涡区变成了消声区，使得静压箱本体1内部只有一个正向作用流场，即流体区，减小了阻力。其中，上游风管3和下游风管4的设置能够节约建筑空间，可以有效降低新风机房2的面积，由于同种工况下的风量不变，静压箱本体1的截面变化处的风速会有突变，在静压箱本体1内部的原有涡旋区填充消音材料，这样既减少了局部阻力，又有实际的消音效果。
[0032]
本发明通过对静压箱本体1的能量耗散场分析可知，采用第一导流片9、第二导流片10和第三导流片11的静压箱本体1一方面降低了直角突变处的能量耗散强度，另一方面使进入下游风管4的流体有一个缓冲，使流体进入下游风管4之前速度梯度变化幅度小，从
而降低流体阻力。
[0033]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。