基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法

1.本发明属于建造与能量损失测量技术领域，尤其涉及一种基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法。


背景技术：

2.椭球空腔楼盖气流流动，即在楼盖中的填充体间连接尺寸不定的暗管，暗管形状包括但不限于圆形，矩形，三角形等；室内气体由排烟口(或外界)进入楼盖内的椭球状空腔后，经过各空腔之间的暗管逐步排出到外界(排烟口)，以达到气流流动的目的，本发明所述楼盖投入使用时，抽出室内气体可以进行排烟工作，向楼盖内通入气体进行通风工作，连接空调设备进行空调工作，向内通入全氟己酮等灭火气体进行灭火工作等。另外，建造施工过程中，常规填充体的空腔形状为立方体，而对于此过程中的气体能量损耗计算，现有技术仅能由数值模拟得到楼盖暗管中的能量损失，而不能通过公式等理论方法进行计算，对数值模拟软件的依赖性过大，难以自主化设计空腔楼盖气流流动的形式，另外，数值模拟技术仅能提供宏观表面性的结论，对于细节部分难以与公式等理论方法媲美，因此前者无法提供有效的方法进行楼盖气流流动的管路优化。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法，实现高楼盖承载力，高效气体流动，节省造价和方便施工建造。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法，包括：
5.基于椭球空腔楼盖排烟的建造方法，进行空腔楼盖的排烟、通风、空调工作以及灭火；
6.基于气流损失的计算方法包括橄榄球状空腔获得总损失和碟状空腔获得总气流损失。
7.可选的，所述椭球空腔楼盖排烟的建造方法包括：
8.使用包括但不限于混凝土在内的耐高温建造材质制造半个椭球空腔的填充体，填充体壁面预留孔洞；
9.制作另外半个椭球空腔的填充体，两个填充体的椭球空腔拼接成完整椭球空腔；
10.将椭球空腔的上下部分对应的填充体进行拼装，将完整的椭球空腔填充体放置于预建造的楼盖上，相邻两填充体使用内壁光滑的暗管连接；
11.采用混凝土或者其他浇筑材料进行浇筑，凝固后形成楼盖；
12.进行管路设计，排烟口开启，进行排烟通风。
13.可选的，所述橄榄球状空腔呈现标准轴对称，均匀调控气流；所述碟状空腔呈现立方体部分边角面曲面化，使用范围广。
14.可选的，所述橄榄球状空腔气流损失的计算方法包括：
15.将椭球沿轴向划分为无数高度为dx的圆盘，得到划分后微元体圆盘的几何参数；
16.对划分的每一微元体进行气流损失的计算；
17.基于每一微元体的气流损失，通过积分方法得到气流的总损失。
18.可选的，所述碟状空腔气流损失的计算方法包括：
19.计算碟状空腔最高最低点之间的距离所连的矩形暗管上下面距离；
20.测量得到空腔前后面距离与所连矩形管上下面的距离；
21.将壁面的上下曲面曲线化，获得近似曲面长度；计算最大曲线的直线化后的周长；
22.计算平均长度曲线的周长，将直线化后的周长带入经验公式，得到平均长度曲线的周长；
23.将平均长度曲线所在的面等效为面积相等的近似圆；
24.最后通过能量损失计算公式获得空腔的总气流损失。
25.可选的，所述橄榄球状空腔气流损失中获取几何参数的计算如下：建立坐标系，将椭球沿轴向划分高度为dx的微元圆盘，橄榄球状椭球映射在平面为标准椭圆，
[0026][0027]
其中di为第i个微元圆盘的直径；xi为椭球沿轴向距原点的距离；y
1i
为轴线距离xi处对应的径向距离；a,b分别为椭球长、短臂长度。
[0028]
可选的，所述橄榄球状空腔气流损失中获取每一微元体的气流损失和总损失的计算如下：
[0029]
计算每一微段的气流损失时，由标准圆管中气流损失公式可知：
[0030][0031]
其中，dh
urec
为第i各微元环中的气流损失，λ为沿程阻力系数；dx1为微元环的轴向高度，ui为微元环的入口速度，di为微元环的气流入口端面直径，g为重力加速度；
[0032]
计算总能量损失时，对dhi进行积分，得到单个橄榄球状空腔的沿程能量损失如下：
[0033][0034]
其中，a为椭球长臂长的1/2。
[0035]
可选的，所述碟状空腔中通过能量损失计算公式获得空腔的总气流损失计算过程包括：
[0036]
通过能量损失计算公式得到空腔的沿程气流损失h
rec
为：
[0037]
[0038][0039]
其中，λ
rec
为碟状空腔的沿程阻力系数，l为碟状空腔的气流流入，流出暗管之间的距离，d
de
为等效近似圆的直径，re为雷诺数，δ为管壁绝对粗糙度，u为空腔内的气体流动速度，g为重力加速度。
[0040]
可选的，椭球空腔楼盖使用方法包括：当椭球空腔楼盖投入使用时，对于灭火，从风机处向楼板内通入灭火气体，通入的方式包括风机吹入、外压压入；对于排烟，使风机处产生负压以将室内烟气从排烟口吸出；对于空调调温，向楼板通入空腔气体；对于通风，向楼盖内部通入新鲜空气。
[0041]
本发明技术效果：本发明公开了一种基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法，椭球空腔构成的楼盖，由于空腔内壁的曲面化特性，相较于传统的立方体空腔有着耗损小，气流流动效果好，突缩，突扩能量损失小的优势，在空腔楼盖气流流动的应用中比传统的立方体空腔效果更优，此外，由于楼板暗管、空腔内空间较小，火灾发生时明火无法沿着楼板暗管进行扩散，因此本发明有一定的防火隔热性能。在室内排烟、室内通风、空调工作、向楼盖通入全氟己酮等灭火气体进行灭火工作等方面有较为经济性，高效性的应用；且本发明提出规范化的公式对椭球空腔的气流损失进行精确化的计算；除此以外，由于椭球上下部分可以看做两个碗状的拱状结构(可以形成单向拱形或双向拱形等受力结构)，传统立方体空腔上下壁面所承受的压力导致的弯矩在椭球空腔中变得极小，相较于传统立方体空腔，本发明有着提高楼盖承载力，高效气体流动，节省造价和方便施工建造。
附图说明
[0042]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0043]
图1为本发明实施例基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法的流程示意图。
[0044]
图2本发明实施例空腔为橄榄球状的填充体横剖图；
[0045]
图3本发明实施例空腔为碟状的填充体横剖图；
[0046]
图4本发明实施例碟状空腔内部整体示意图；
[0047]
图5本发明实施例建立计算所用的直角坐标系；
[0048]
图6本发明实施例将椭圆划分为无数个微元圆盘；
[0049]
图7本发明实施例最大曲线直线化后呈现图；
[0050]
图8本发明实施例椭球空腔楼板用途及示例；
[0051]
图9本发明实施例椭球空腔楼板排烟、通风、灭火、空调冷暖风一体化系统三维展示图。
具体实施方式
[0052]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合(包括平面一层楼盖内组合或多层立体楼盖组合)。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0053]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0054]
如图1-9所示，本实施例中提供一种基于椭球空腔楼盖气流流动建造方法与气流损失计算方法，包括：
[0055]
基于椭球空腔楼盖排烟的建造方法，进行空腔楼盖的排烟、通风、空调工作以及灭火；
[0056]
基于气流损失的计算方法包括橄榄球状空腔获得总损失和碟状空腔获得总气流损失。
[0057]
进一步优化方案，所述椭球空腔楼盖排烟的建造方法包括：
[0058]
使用包括但不限于混凝土在内的耐高温建造材质制造半个椭球空腔的填充体，填充体壁面预留孔洞；
[0059]
制作另外半个椭球空腔的填充体，两个填充体的椭球空腔拼接成完整椭球空腔；
[0060]
将椭球空腔的上下部分对应的填充体进行拼装，将完整的椭球空腔填充体放置于预建造的楼盖上，相邻两填充体使用内壁光滑的暗管连接；
[0061]
采用混凝土或者其他浇筑材料进行浇筑，凝固后形成楼盖；
[0062]
进行管路设计，排烟口开启，进行排烟通风。
[0063]
此外，在排烟口安装防火装置，连接相关计算机智能系统，当达到一定条件时(包括但不限于风机停止工作、结构发生安全隐患等情况)，防火装置自动开启覆盖排烟口，阻止烟气和火焰继续进入楼盖，以防止楼盖内部结构因高温发生损坏。
[0064]
除上述制作方法外，也可采用传统的装配式制造方法，即在建造前制造整个椭球状空腔的填充体，建造时直接将填充体置于钢筋网上，再进行混凝土或其他浇筑材料的浇筑。
[0065]
进一步优化方案，所述橄榄球状空腔呈现标准轴对称，均匀调控气流；所述碟状空腔呈现立方体部分边角面曲面化，使用范围广。
[0066]
进一步优化方案，所述橄榄球状空腔气流损失的计算方法包括：
[0067]
将椭球沿轴向划分为无数高度为dx的圆盘，得到划分后微元体圆盘的几何参数；
[0068]
对划分的每一微元体进行气流损失的计算；
[0069]
基于每一微元体的气流损失，通过积分方法得到气流的总损失。
[0070]
进一步优化方案，所述碟状空腔气流损失的计算方法包括：
[0071]
计算碟状空腔最高最低点之间的距离所连的矩形暗管上下面距离；
[0072]
测量得到空腔前后面距离与所连矩形管上下面的距离；
[0073]
将壁面的上下曲面曲线化，获得近似曲面长度；计算最大曲线的直线化后的周长；
[0074]
计算平均长度曲线的周长，将直线化后的周长带入经验公式，得到平均长度曲线的周长；
[0075]
将平均长度曲线所在的面等效为面积相等的近似圆；
[0076]
最后通过能量损失计算公式获得空腔的总气流损失。
[0077]
进一步优化方案，所述橄榄球状空腔气流损失中获取几何参数的计算如下：建立坐标系，将椭球沿轴向划分高度为dx的微元圆盘，橄榄球状椭球映射在平面为标准椭圆，
[0078][0079]
其中di为第i个微元圆盘的直径；xi为椭球沿轴向距原点的距离；y
1i
为轴线距离xi处对应的径向距离；a,b分别为椭球长、短臂长度。
[0080]
进一步优化方案，所述橄榄球状空腔气流损失中获取每一微元体的气流损失和总损失的计算如下：
[0081]
计算每一微段的气流损失时，由标准圆管中气流损失公式可知：
[0082][0083]
其中，dh
urec
为第i各微元环中的气流损失，λ为沿程阻力系数；dx1为微元环的轴向高度；ui为微元环的入口速度；di为微元环的气流入口端面直径，g为重力加速度；
[0084]
计算总能量损失时，对dhi进行积分，得到单个橄榄球状空腔的沿程能量损失如下：
[0085][0086]
其中，a为椭球长臂长的1/2。
[0087]
对碟状椭球空腔的气流损失计算，分别计算碟状空腔最高最低点之间的距离h1(如图2所示)，与所连的暗管上下面距离h2，计算上述两距离间的差值h':
[0088]
h'＝h
1-h2[0089]
使用相同方法计算空腔最前，最后点之间的距离b1(如图2所示)，与所连的暗管前后面距离b2，计算上述两距离间的差值b':
[0090]
b'＝b
1-b2[0091]
对于碟状空腔表面的最大曲线(即最高最低点，最前最后点相连而成的曲线，如图4(a)线条所示)，如图6所示将上下曲线直线化，使用勾股定理求得直线化后的近似曲面长度l1；用同样的方法计算前后曲面直线化后的近似曲面长度l2，其中l1，l1表述如下：
[0092][0093]
计算最大曲线的直线化后的周长s：
[0094]
s＝2(l1 l2)
[0095]
计算平均长度曲线的周长，将直线化后的周长代入经验公式，得到平均长度曲线的周长s
av
：
[0096][0097]
其中平均长度曲线的位置如图4(a)黄色线条所示。
[0098]
将平均长度曲线所在的面等效为近似圆，其中圆的周长应与s
av
相同，等效后的圆直径d
de
为：
[0099][0100]
进一步优化方案，所述碟状空腔中通过能量损失计算公式获得空腔的总气流损失计算过程包括：
[0101]
通过能量损失计算公式得到空腔的沿程气流损失h
rec
为：
[0102][0103][0104]
其中，λ
rec
为碟状空腔的沿程阻力系数，l为碟状空腔的气流流入，流出暗管之间的距离，d
de
为等效近似圆的直径，re为雷诺数，δ为管壁绝对粗糙度，u为空腔内的气体流动速度，g为重力加速度。
[0105]
由于空腔为椭球状，并不存在明显的突扩突缩现象，由常规的流体力学孔口、管嘴的水力特征局部阻力系数可知，圆柱形外管嘴处的突扩局部阻力系数为0.5时，同等突扩收缩系数的流线型圆管嘴的局部阻力系数为0.04，相差近12倍，能量损失为原有局部损失的12％，因此本发明的突缩处能量损失极小，相较于传统空腔有着局部能量损失小，气流流动效率高等特点；此外，一般空腔的突缩能量损失相较于突扩能量损失而言可以忽略不计，因此在此并不考虑突扩造成的影响。
[0106]
对于椭球空腔楼板气流流动系统针对不同使用对象的设备选型方法，首先应确定椭球空腔楼盖内系统总气流损失h
all
：
[0107][0108]
其中，表示暗管中沿程能量损失，ni表示最不利路径上此损失发生的次数；表示填充体空腔中的沿程能量损失，其中，对于橄榄球状空腔，对于碟状空腔，no表示最不利路径上填充体空腔中沿程能量损失发生的次数，表示
等截面转角引起的能量损失，nk表示最不利路径上等截面转角能量损失的次数，表示排烟口处简化成不等截面转角引起的能量损失，n
t
表示最不利路径上模型中排烟口的总数量，表示三通管交界处主管中的能量损失，表示三通管交界处支管中的能量损失，ns表示最不利路径上发生主支管能量损失的次数；h
ex
表示工作设备引起的总能量损失。
[0109]
由于空腔为椭球状，并不存在明显的突扩突缩现象，由常规的流体力学孔口、管嘴的水力特征局部阻力系数可知，圆柱形外管嘴处的突扩局部阻力系数为0.5时，同等突扩收缩系数的流线型圆管嘴的局部阻力系数为0.04，相差近12倍，能量损失为原有局部损失的12％，因此本发明的突缩处能量损失极小，相较于传统空腔有着局部能量损失小，气流流动效率高等特点；此外，一般空腔的突缩能量损失相较于突扩能量损失而言可以忽略不计，因此在此并不考虑突扩造成的影响。除此以外，空腔中的气流等截面转角的能量损失，气流不等截面转角的能量损失，暗管内沿程能量损失，风井或汇总管内沿程能量损失，三通管内气流能量损失均与空腔形状无关，可按照常规方法分别计算。
[0110]
对于不同使用对象的设备选型方法，当气流流动状态为从风机处向室内通入气流时，选用风机提供的正压不得低于室内压强，同时不得低于楼盖内最不利路径的路径气流损失；当气流流动状态为从风机处将室内气流通过排烟口进而抽出时，选用风机提供的负压不得高于室内压强，同时不得高于楼盖内最不利路径的路径气流损失；此外，增加百叶、排烟防火阀、空调扇叶等设备时这部分的气流损失同样应算入气流损失。选用设备前首先由设计的路径与系统流速要求计算气流损失，进而确定设备型号。
[0111]
进一步优化方案，当椭球空腔楼盖投入使用时，对于灭火，可选择性从风机处向楼板内通入全氟己酮等灭火气体，通入的方式包括但不限于风机吹入，外压压入等；对于排烟，使风机处产生负压以将室内烟气从排烟口吸出；对于空调调温，可向楼板通入冷风或暖风等空腔气体；对于通风，可向楼板内部通入新鲜空气。此外，由于暗管排烟存在面积不定的路径，火灾发生时明火无法沿着暗管进行扩散，因此本发明有一定的防火隔热性能。为形象展示椭球空腔楼板的多功能用法，图8展示了椭球空腔楼板部分用途及示例，图9展示了本发明椭球空腔楼板排烟、通风、灭火、空调冷暖风一体化系统三维展示图。
[0112]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。