阅读说明：本技术 一种用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置 (Stepped guide plate device for jet flow vortex elimination in limited space ) 是由 周宇 仲丽莹 王怡 肖勇强 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置,包括依次连接的第一阶环状导流结构、第二阶环状导流结构以及第N阶环状导流结构,N阶环状导流结构的直径依次增大并且第一阶环状导流结构直径最小；在所述的第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧的中心位置设置有使流体通过的第一空腔,在所述的第一阶环状导流结构远离流体入口的另一侧设置有使流体通过的第二空腔等。本发明用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置,能够有效减小受限空间流场内的旋涡区影响范围。(The invention provides a stepped flow guide plate device for jet flow vortex elimination in a limited space, which comprises a first-step annular flow guide structure, a second-step annular flow guide structure and an Nth-step annular flow guide structure which are sequentially connected, wherein the diameter of the Nth-step annular flow guide structure is sequentially increased, and the diameter of the first-step annular flow guide structure is the smallest; the first-stage annular flow guide structure is provided with a first cavity for fluid to pass through at the central position of one side close to the fluid inlet, and the other side far away from the fluid inlet is provided with a second cavity for fluid to pass through. The stepped guide plate device for the jet flow vortex elimination in the confined space can effectively reduce the influence range of the vortex area in the confined space flow field.)

一种用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置

技术领域

本发明涉及工业通风，具体涉及一种用于流受限空间射消涡的阶梯型导流板装置。

背景技术

在实际工业通风领域，主要涉及焊接车间或特殊受限空间内工业作业的通风控制，通风时射流分布、污染物扩散规律、受限空间形状、大小等因素均会影响受限空间的全面通风效果，给有限空间的通风带来较大难度。当工人在内部进行焊接时会产生大量焊接烟尘，由于空间限制而产生的旋涡区致使烟尘滞留在内部无法排除，严重影响工人的身体健康，职业病发病率高。因此我们通过在受限空间内部加入消涡装置来消除不利涡旋，改善工人作业环境。射流受限空间边壁的限制导致近壁压力递增出现压力梯度，压力梯度的存在使得受限空间***流扩展速率、速度分布的形状和边界层增长的速率发生改变，特别是逆向压力梯度使射流流动变得复杂。受限射流一般分为多个区分别是基本段、环流段和管流发展段。

与自由射流的发展过程不同，在送风口处射流进入受限空间，在湍流脉动下射流扩展同时周围流体被巻吸，此时射流宽度沿流向增加且射流的横断面积增大，流量沿程增加，相似的速度分布形成即基本段。但很快射流巻吸遇到壁面产生了旋涡区，靠近管壁处产生的大涡团旋涡区域，其内部射流速度方向发生了反向变化。这是因为由于周围流体的进口速度为零，被射流卷吸后无上游来流补充，此时空间近壁下游流体倒流即环流发生。根据伯努利方程，在射流遇到边界突扩时近壁面处流速减小压强升高，导致逆压梯度出现。在逆压梯度和近壁处流体粘性的共同作用下导致边界层分离，从而扩大了巻吸涡旋形成旋涡区，该工况的范围较大。之后受限射流发展至壁面，近壁区出现较大逆压梯度，从而受限空间截面的速度分布沿流动方向开始不断变化，逐步成为充分发展的管流。可见，第二阶段环流段受限空间边壁处的涡旋会对受限空间通风造成不利影响，会出现通风效率低下等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置，解决目前受限空间流场内的旋涡区影响范围大，不能满足工程需要的技术问题。

为达到上述目的，本发明实现过程如下：

一种用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置，该导流板装置包括依次连接的第一阶环状导流结构、第二阶环状导流结构以及第N阶环状导流结构，1＜N≤32，所述的第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧，N阶环状导流结构的直径依次增大并且第一阶环状导流结构直径最小；

在所述的第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧的中心位置设置有使流体通过的第一空腔，第一空腔的直径小于第一阶环状导流结构的直径；

在所述的第一阶环状导流结构远离流体入口的另一侧设置有使流体通过的第二空腔，第二空腔的直径等于第一阶环状导流结构的直径；

在所述的第N阶环状导流结构远离流体入口的另一侧设置有使流体通过的第N+1空腔，第N+1空腔的直径等于第N阶环状导流结构的直径。

具体的，N阶环状导流结构的高度H取值为：0＜H≤0.2D，D为受限空间水力直径，水力直径是指过流断面面积的四倍与周长之比，对于圆管来说，其本身的真实直径也就是水力直径。

进一步，第一阶环状导流结构的高度h等于第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧的半径与空腔的半径差d₁；

其余第N阶环状导流结构的高度h等于第N阶环状导流结构的半径与第N-1阶环状导流结构的半径差d₂；

并且d₁＝d₂。

更进一步，流场旋涡区长度y与N需满足函数关系：y＝a+bN；

a，b均为常数，取值均介于-1～1。

具体的，所述的阶梯形导流板装置整体垂直于受限空间纵轴线方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明用于受限空间射流消涡的阶梯型导流板装置，最主要的贡献在于，能够有效减小受限空间流场内的旋涡区影响范围，旋涡区长度最小值可以达到0.18m(原旋涡区长度0.45m)，能达到对射流受限空间流场特性的有效控制以满足工程实际的需求的目的，能够达到很好的均流效果。

附图说明

图1为本发明装置三维示意图。

图2为原始射流受限空间流场的流线图。

图3为安装本发明的射流受限空间流场的流线图。

图4为本实施例受限空间旋涡区长度随导流板装置阶数变化的拟合曲线与原始状态的对比图。

图5、6分别为发明实施例整体结构示意图及剖视图。

图中各标号代表：

1-速度入口，2-导流板装置，3-受限圆柱形锅筒外壳，4-速度出口，5-第一空腔，6-第二空腔，7-第N空腔。

具体实施方式

本发明射流受限空间指的是流体通过受限空间的一种现象，工程上很常见，在实际工业通风领域，主要涉及焊接车间或特殊受限空间内工业作业的通风控制。当工人在内部进行焊接时会产生大量焊接烟尘，由于空间限制而产生的旋涡区致使烟尘滞留在内部无法排除，严重影响工人的身体健康，职业病发病率高。因此我们通过在受限空间内部加入消涡装置来消除不利涡旋，改善工人作业环境。工程上需要根据实际情况对漩涡区的长度加以控制，以便合理利用漩涡区长度，导流板装置的旋涡区长度过长影响过大，这在工程上不利。

本发明按照如下方法研究出导流板装置的旋涡区长度y与N的关系：

该方法包括如下步骤：

步骤一、确定阶梯形导流板装置在射流受限空间某一位置时流场状态，根据受限空间尺寸，改变阶梯形导流板装置阶数N，N满足不等式1＜N≤32。运用雷诺应力模型并结合SIMPLE算法:

基本控制方程如下：

连续性方程

动量方程

R分量

z分量

湍流动能方程(k方程)

扩散方程(ε方程)

上述方程中：S_ν为源项；_ρ为流体密度，kg/m³；P为静压，Pa；μ为湍流粘性系数Pa×s；

σ_ε为湍流能扩散率ε的普朗特数，取1.3；η⁰＝4.38；β＝0.012；C_μ,C_1ε,C_2ε为经验常数分别取0.09，1.44，1.92；

然后模拟设置加阶梯形导流板装置之前射流受限空间内的速度场，从而得到不同工况下加入阶梯形导流板装置后的流场分布；

步骤二、确定阶梯形导流板装置加入流场后的流场旋涡区长度y随阶梯形导流板装置阶数x，根据步骤一得到旋涡区长度随阶梯形导流板装置阶数x的数值变化，利用统计学原理，求得流场旋涡区长度y随阶梯形导流板装置阶数N的拟合曲线(相关系数0.73),如图4所示。以及流场旋涡区长度y随阶梯形导流板装置阶数N的变化拟的合方程:

y＝a+bN

其中x满足不等式1＜N≤32，ab为常数，取值介于-1—1。

以下给出本发明的具体实施例。

实施例1：

如图1-6所示，本实施例提出一种用于受限空间射流消涡的导流板装置，该导流板装置包括依次连接的第一阶环状导流结构、第二阶环状导流结构以及第N阶环状导流结构，1＜N≤32，所述的第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧，N阶环状导流结构的直径依次增大并且第一阶环状导流结构直径最小；

在所述的第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧的中心位置设置有使流体通过的第一空腔，第一空腔的直径小于第一阶环状导流结构的直径；

在所述的第一阶环状导流结构远离流体入口的另一侧设置有使流体通过的第二空腔，第二空腔的直径等于第一阶环状导流结构的直径；

在所述的第N阶环状导流结构远离流体入口的另一侧设置有使流体通过的第N+1空腔，第N+1空腔的直径等于第N阶环状导流结构的直径。

具体的，N阶环状导流结构的高度H取值为：0＜H≤0.2D，D为受限空间水力直径。

进一步，第一阶环状导流结构的高度h等于第一阶环状导流结构靠近流体入口的一侧的半径与空腔的半径差d₁；

其余第N阶环状导流结构的高度h等于第N阶环状导流结构的半径与第N-1阶环状导流结构的半径差d₂；

并且d₁＝d₂。

更进一步，流场旋涡区长度y与N需满足函数关系：y＝a+bN；

b，b均为常数，取值均介于-1～1。

具体的，所述的阶梯形导流板装置整体垂直于受限空间纵轴线方向。

原始状态是气流经过入口进入受限空间，由于边壁的限制在受限空间前半段很快形成旋涡区，流场特性变得不稳定，导致气流滞留在受限空间内难以排除，如图2所示。因此我们将导流板装置放置在受限空间前端，通过导流板装置对气流进行整流导直，使得气流很快被排除受限空间，达到消除不利涡旋的目的，如图3所示。

遵从上述技术方案，以圆柱形受限锅筒模型内部消涡为例，模拟时采用二维旋转轴对称模型，以加快运算速度和节省储存空间。首先确定受限圆柱形锅筒模型各部分尺寸，其中圆柱形锅筒长L为1.35m，直径D为300mm，速度入口直径d为150mm，速度出口直径为300mm。建立坐标系如图2所示，不考虑装置厚度，阶梯形导流板装置里的上底面小圆环小径为100mm，下底面大圆直径为1100mm，且阶梯起点固定在点(0.05，0.05)，终点固定在点(0.11，0.11)。阶梯形导流板装置阶数N数值变化如表1所示，实施例模型三维示意图如图5所示,剖视图见图6。

然后模拟设置加阶梯形导流板装置之前射流受限空间内的速度场，射流入口边界采用平行流送风，为velocity-inlet。圆形射流速度为1m/s其方向是沿x轴正向，出口边界为pressure-outlet。因未考虑人员操作位置和热源位置及温度，仅研究受限圆射流流场规律故其余面均为绝热wall，格式为压力速度耦合方式。湍流模型采用Realizable k-ε两方程模型。采用二维迎风格式离散，松弛迭代因子为压力修正设定是0.3，动量修正是0.7，柱状受限空间壁面采用非滑移边界条件。采用二维模型进行数值模拟计算更为高效，求解器中space选择axisymmetric swirl，采用axis对称边界，二维模型由x坐标轴回转可产生多维回转体。射流速度入口为起始点进行初始化展开计算，将连续性方程和动量方程的收敛残差均设置为10^-4。

模拟结果经后处理提取的旋涡区长度随阶梯形导流板装置阶数N变化数值如表1所示：

表1各工况旋涡长度数据表

利用统计学原理，求得流场旋涡区长度y随阶梯形导流板装置阶数N的变化的拟合曲线(相关系数0.73))如图4所示。以及流场旋涡区长度y随阶梯形导流板装置阶数N的变化拟的合方程:

y＝0.19+0.01N

其中N满足不等式1＜N≤32。N为2时，流场旋涡区长度y为0.18m。

可以看出相比较于原始状态，在受限锅筒内加入阶梯形导流板装置后旋涡区长度明显缩短，影响范围也变小了，从而达到了对射流受限空间流场特性的有效控制，以实现满足工程实际需求的目的。