一种合流三通空腔出入口压力损失的计算方法

1.本发明属于流体压力损失技术领域，具体涉及一种合流三通空腔出入口压力损失的计算方法。


背景技术：

2.随着空腔楼盖排烟技术的不断完善，技术中出现各式各样的排烟空腔或其他流体流动空腔，且由于空腔的复杂性，常规计算方法难以计算复杂空腔的压力损失，导致空腔楼盖排烟或流体流动系统对数值软件的依赖性较强，且无法有效的反映空腔内流体压力损失的变化规律。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种合流三通空腔出入口压力损失的计算方法，以解决上述问题。
4.一种合流三通空腔出入口压力损失的计算方法，计算步骤如下，
5.步骤1，设合流三通空腔为立方体结构，合流三通空腔的任意三面分别设有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与第二端口之间构成夹角为平角，第三端口与第一端口、第二端口之间构成夹角均为直角，针对流体从合流三通空腔不同管道流出分为平角合流三通空腔状态或直角合流三通空腔状态，其中流体从第一端口或第三端口合流出属于平角合流三通空腔状态，流体从第二端口或第三端口合流出属于直角合流三通空腔状态；
6.步骤2，计算合流三通空腔的压力损失，首先以第二端口为中点把三通空腔平分为两个假想的第一分空腔和第二分空腔；
7.步骤3，利用流体力学标准公式分别计算两个假想分空腔在突扩处的压力损失；
8.步骤4，利用差分原理分别计算两个假想分空腔由流体转弯引起的压力损失；
9.步骤5，求得第一分空腔未修正的总压力损失和第二分空腔未修正的总压力损失；
10.步骤6，代入合流三通压力损失修正系数求得第一分空腔修正后的总压力损失和第二分空腔修正后的总压力损失，即为平角合流三通空腔状态的第一分空腔修正后的总压力损失和第二分空腔修正后的总压力损失；
11.步骤7，把步骤6求得总压力损失代入平角与直角合流三通空腔转换修正系数可得直角合流三通空腔状态的第一分空腔修正后的总压力损失和第二分空腔修正后的总压力损失。
12.进一步，所述第一端口、第二端口和第三端口均表示多根管道的集合。
13.进一步，步骤3中，所述第一假想分空腔的突扩处压力损失的表达式为：
[0014][0015]
所述第二假想分空腔的突扩处压力损失的表达式为：
[0016][0017]
其中，δp'
tp(ex)1
定义第一假想分空腔突扩处的压力损失，δp'
tp(ex)2
定义第二假想分空腔突扩处的压力损失；α
ex
为突扩处局部阻力系数；n
ex
为流体流入端口处安装的管道数量，为修正系数，ρ为流体密度，g为重力加速度，u
tp1
为第一端口的单个管道中流体的平均流速，u
tp2
为第二端口的单个管道中流体的平均流速，a1为与第一端口相连接的第一假想分空腔端面等流速当量圆面积或与第二端口相连接的第二假想分空腔端面等流速当量圆面积，a2为第一端口或第二端口中的单根管道的等流速当量圆面积，tp为标识符。
[0018]
进一步，步骤4中，第一假想分空腔由流体转弯引起的压力损失的表达式为：
[0019][0020]
第二假想分空腔由流体转弯引起的压力损失的表达式为：
[0021][0022]
其中，δp'
tp(bd)1
为第一端口不等截面转角处的压力损失，δp'
tp(bd)2
为第二端口不等截面转角处的压力损失，δp'
tp(bd)11
为第一端口截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，δp'
tp(bd)12
为第一端口压力损失时，以流出端总面积一半的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，δp'
tp(bd)21
为第二端口截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，δp'
tp(bd)22
为第二端口压力损失时，以流出端总面积一半的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，bd为标识符。
[0023]
进一步，步骤5中，第一假想分空腔未修正的总压力损失的表达式为：
[0024]
δp'
tp1
＝δp'
tp(ex)1
+δp'
tp(bd)1
；
[0025]
第二假想分空腔未修正的总压力损失的表达式为：
[0026]
δp'
tp2
＝δp'
tp(ex)2
+δp'
tp(bd)2
；
[0027]
其中，δp'
tp1
为第二端口的未修正总压力损失，δp'
tp2
为第二端口的未修正总压力损失。
[0028]
进一步，步骤6中，第一分空腔修正后的总压力损失表达式：
[0029][0030]
第二分空腔修正后的总压力损失表达式为；
[0031][0032]
其中，δp
tp1
为第一端口修正后的总压力损失，δp
tp2
为第二端口修正后的总压力损失，α
tp1
为第一端口压力损失修正系数，α
tp2
为第二端口压力损失修正系数。
[0033]
进一步，步骤7中，合流三通空腔状态的第一分空腔修正后的总压力损失表达式
为：
[0034]
δp
tpa直
＝δp
tp1
·
α
tpa1
；
[0035]
合流三通空腔状态的第二分空腔修正后的总压力损失表达式为：
[0036]
δp
tpa角
＝δp
tp2
·
α
tpa2
；
[0037]
其中，α
tpa1
为第一端口的压力损失修正系数，α
tpa2
为第二端口的压力损失修正系数。
[0038]
与现有技术相比较本发明的优点如下：
[0039]
本发明通过对现有合流三通空腔进行平分处理并分别计算分空腔压力损失，对分空腔压力损失进行耦合修正，有效的预测合流三通空腔出口、入口端之间的压力损失，并反映合流三通空腔压力损失的变化规律。与现有实验结果对比表明，本发明在相当范围内具有良好的准确性，能在理论公式层面对合流三通空腔压力损失行为进行描述。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例的平角合流三通空腔状态示意图；
[0041]
图2为本发明实施例的直角合流三通空腔状态示意图；
[0042]
图3为本发明实施例的将平角合流三通空腔平分为两分空腔示意图。
[0043]
附图标记：
[0044]
1、第一端口；2、第二端口；3、第三端口；4、第一分空腔；5、第二分空腔；6、管道。
具体实施方式
[0045]
下面将结合附图对发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0046]
实施例1
[0047]
如图1和图2所示，一种合流三通空腔出入口压力损失的计算方法，计算步骤如下，
[0048]
步骤1，设合流三通空腔为立方体结构或在立方的基础上进行调整构成近似立方体的结构，合流三通空腔的任意三面分别设有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与第二端口之间构成夹角为平角，第三端口与第一端口、第二端口之间构成夹角均为直角，针对流体从合流三通空腔不同管道流出分为平角合流三通空腔状态或直角合流三通空腔状态，其中流体从第一端口或第三端口合流出属于平角合流三通空腔状态，流体从第二端口或第三端口合流出属于直角合流三通空腔状态；
[0049]
步骤2，计算合流三通空腔的压力损失，首先以第二端口为中点把三通空腔平分为两个假想的第一分空腔和第二分空腔；
[0050]
步骤3，利用流体力学标准公式分别计算两个假想分空腔在突扩处的压力损失；
[0051]
步骤4，利用差分原理分别计算两个假想分空腔由流体转弯引起的压力损失；
[0052]
步骤5，求得第一分空腔未修正的总压力损失和第二分空腔未修正的总压力损失；
[0053]
步骤6，代入合流三通压力损失修正系数求得第一分空腔修正后的总压力损失和第二分空腔修正后的总压力损失，即为平角合流三通空腔状态的第一分空腔修正后的总压力损失和第二分空腔修正后的总压力损失；
[0054]
步骤7，把步骤6求得总压力损失代入平角与直角合流三通空腔转换修正系数可得
直角合流三通空腔状态的第一分空腔修正后的总压力损失和第二分空腔修正后的总压力损失。
[0055]
所述第一端口、第二端口和第三端口均表示多根管道的集合，所述管道截面形状可为圆形、方形或三角形。
[0056]
步骤3中，所述第一假想分空腔的突扩处压力损失的表达式为：
[0057][0058]
所述第二假想分空腔的突扩处压力损失的表达式为：
[0059][0060]
其中，δp'
tp(ex)1
定义第一假想分空腔突扩处的压力损失，δp'
tp(ex)2
定义第二假想分空腔突扩处的压力损失；α
ex
为突扩处局部阻力系数；n
ex
为流体流入端口处安装的管道数量，为修正系数，ρ为流体密度，g为重力加速度，u
tp1
为第一端口的单个管道中流体的平均流速，u
tp2
为第二端口的单个管道中流体的平均流速，a1为与第一端口相连接的第一假想分空腔端面等流速当量圆面积或与第二端口相连接的第二假想分空腔端面等流速当量圆面积，a2为第一端口或第二端口中的单根管道的等流速当量圆面积，tp为标识符。
[0061]
步骤4中，第一假想分空腔由流体转弯引起的压力损失的表达式为：
[0062][0063][0064][0065][0066][0067]
第二假想分空腔由流体转弯引起的压力损失的表达式为：
[0068][0069]
[0070][0071][0072][0073]
其中，δp'
tp(bd)1
为第一端口不等截面转角处的压力损失，δp'
tp(bd)2
为第二端口不等截面转角处的压力损失，δp'
tp(bd)11
为第一端口截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，δp'
tp(bd)12
为第一端口压力损失时，以流出端总面积一半的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，δp'
tp(bd)21
为第二端口截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，δp'
tp(bd)22
为第二端口压力损失时，以流出端总面积一半的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失，bd为标识符,α
tp(bd)11
，α
tp(bd)12
为压力损失时，分别以第一端口、流出端管道截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失系数，在计算α
tp(bd)12
时，由于第一假想分空腔中出口端(即第三端口)为原出口端面积的1/2，且面积与直径具有平方关系，故第一假想分空腔出口端直径为原有总出口端直径的即d
tp
为第一端口或第二端口等流速当量直径，a,b,c,d均为常数，可通过试验测量获得；r
tp(bd)11
为计算第一端口压力损失时，以第一端口截面进行等截面转弯时的转弯半径，r
tp(bd)12
为计算第一端口压力损失时，以第三端口总面积的一半截面进行等截面转弯时的转弯半径；α
tp(bd)21
为计算第二端口压力损失时，以第二端口截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失系数，α
tp(bd)22
为计算第二端口压力损失时，以第三端口截面总面积的等流速当量面积计算所得等截面转弯的压力损失系数，在计算α
tp(bd)22
时，由于第二假想分空腔中出口端(即第三端口)为原出口端面积的1/2，且面积与直径具有平方关系，故第二假想分空腔出口端直径为原有总出口端直径的即r
tp(bd)21
为计算第二端口压力损失时，以第二端口截面进行等截面转弯时的转弯半径，r
tp(bd)22
为计算第二端口压力损失时，以第三端口总面积的一半截面进行等截面转弯时的转弯半径。
[0074]
步骤5中，第一假想分空腔未修正的总压力损失的表达式为：
[0075]
δp'
tp1
＝δp'
tp(ex)1
+δp'
tp(bd)1
；
[0076]
第二假想分空腔未修正的总压力损失的表达式为：
[0077]
δp'
tp2
＝δp'
tp(ex)2
+δp'
tp(bd)2
；
[0078]
其中，δp'
tp1
为第二端口的未修正总压力损失，δp'
tp2
为第二端口的未修正总压力损失。
[0079]
步骤6中，第一分空腔修正后的总压力损失表达式：
[0080][0081]
第二分空腔修正后的总压力损失表达式为：
[0082][0083]
其中，δp
tp1
为第一端口修正后的总压力损失，δp
tp2
为第二端口修正后的总压力损失，α
tp1
为第一端口压力损失修正系数，α
tp2
为第二端口压力损失修正系数。
[0084]
步骤7中，合流三通空腔状态的第一分空腔修正后的总压力损失表达式为：
[0085]
δp
tpa直
＝δp
tp1
·
α
tpa1
；
[0086]
合流三通空腔状态的第二分空腔修正后的总压力损失表达式为：
[0087]
δp
tpa角
＝δp
tp2
·
α
tpa2
；
[0088]
其中，α
tpa1
为第一端口的压力损失修正系数，α
tpa2
为第二端口的压力损失修正系数。
[0089]
实施例2
[0090]
对于如图1所示的单个平角合流三通空腔，当流体在入口1速度达到10m/s，在入口2速度也为10m/s时，分别计算出口到1和2之间的压力损失δp
tp1
和δp
tp2
。其中空腔尺寸为300mm
×
1000mm
×
1000mm，出入端每端3根管道共9根管道，管道尺寸均为d
tp0
＝150mm，长度均为20mm，壁面颗粒平均高度为0.7mm，流体密度取1.3kg/m3。
[0091]
本例中，由现有试验假定各参数如下所示：
[0092]
当取α
tp1
＝α
tp2
＝1
[0093][0094][0095]
解：首先，将算例中空腔以出口截面中线平分为两个独立空腔，即第一假想分空腔和第二假想分空腔，分别按本发明内容计算第一假想分空腔中第一端口至半个第三端口的压力损失、第二假想分空腔中第二端口至半个第三端口的压力损失。
[0096]
(1)计算1、第二假想分空腔突扩能量损失
[0097]
在本例中，1、第二假想分空腔在突扩之前的单根管道流速当量面积a2与突扩后的流速当量面积a1均分别为：
[0098][0099][0100]
则突扩的阻力系数α
ex
为：
[0101][0102]
由压力损失与能量损失的公式可知，突扩引起的压力损失为：
[0103][0104]
(2)计算转弯能量损失
[0105]
对于第一假想分空腔，转弯前流速为10m/s，流出端管道的流速为20m/s，计算转弯处的阻力系数得：
[0106][0107][0108]
从而得到第一假想分空腔流体转弯引起的压力损失为：
[0109][0110][0111][0112]
于是得第一假想分空腔未修正的总压力损失为：
[0113]
δp'
tp1
＝δp'
tp(ex)1
+δp'
tp(bd)1
＝155.6+21.7＝177.3(pa)
[0114]
可见，由于第一假想分空腔中的流体流速过于小，压力损失也较小，转弯损失不起主要作用。
[0115]
由于算例中条件对称，所以第二假想分空腔的压力损失与第一假想分空腔相同。
[0116]
则1、第二假想分空腔流体转弯引起的总压力损失分别为：
[0117][0118][0119]
(3)管道中沿程损失
[0120]
由单个空腔能量损失的管道中能量损失所计算的结论可知，第一假想分空腔中第一端口道中的压力损失为：
[0121][0122]
出口端管道压力损失为：
[0123][0124]
同理得第二假想分空腔中第二端口道中的压力损失为：
[0125][0126]
出口端管道压力损失为：
[0127][0128]
(4)平角合流三通空腔内总压力损失
[0129]
累加可得算例中平角合流三通第一端口、第二端口至出口的总能量损失为：
[0130]
δp1＝177.3+1.1+4.4＝182.8(pa)
[0131]
δp2＝177.3+1.1+4.4＝182.8(pa)
[0132]
计算结果与试验得到的单个平角合流空腔在相同情况下的压力损失相差不大，使用本发明所述内容对合流三通空腔进行计算具有一定准确性。
[0133]
最后应说明的是：以上实施例各仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。