一种矩形截面气动直角三通设备及其设计方法与流程

本发明涉及风洞设备气动设计领域，具体地，涉及一种矩形截面气动直角三通设备及其设计方法。

背景技术：

1、气动设备设计中，直角三通是实现气流分流/汇流的一种常见气动构型，一般由合流管道、以及与合流管道均垂直且平行的第一分流管道和第二分流管道构成。直角三通一般存在两种流动模式：第一种是实现流动分流，气流从合流管道流入，从第一分流管道和第二分流管道流出；第二种是实现流动汇流，气流从第一分流管道和第二分流管道流入，从合流管道流出。由于在三通连接处气流转向角度大、流动复杂、存在明显的流动分离，流动稳定性差、压力损失大。其对于小型设备、流动速度较低的设备影响不大，但对于风洞中的大型、且流动速度较高的气动设备，流动带来的结构振动要求更强的支撑设备、且明显降低设备寿命，较大的流动压力损失则要求设备提供更高的驱动功率来保持流动速度，增加设备功耗。

2、因此，针对流动速度较高的大型气动直角三通设备，需要发展一种设计方法，降低流动振动和压力损失，以提高气动直角三通设备性能和使用寿命。

技术实现思路

1、为了解决风洞中的大型直角三通内流动分离带来的结构振动和压力损失较大的技术问题，本发明提供了一种矩形截面气动直角三通设备，所述三通设备包括：

2、合流管道、第一分流管道、第二分流管道、第一导流片组、第二导流片组、第一导圆整流板、第二导圆整流板和组合导流片；

3、合流管道、第一分流管道和第二分流管道三者互相连通，合流管道、第一分流管道和第二分流管道三者的上壁重合，合流管道、第一分流管道和第二分流管道三者的下壁重合；合流管道的一侧侧壁与第一分流管道的一侧侧壁通过第一导圆整流板相接；合流管道的另一侧侧壁与第二分流管道的一侧侧壁通过第二导圆整流板相接；第一分流管道的另一侧侧壁与第二分流管道的另一侧侧壁重合，组合导流片布置在第一分流管道与第二分流管道重合的侧壁上；第一导流片组布置在第一导圆整流板与组合导流片的连线上，第二导流片组布置在第二导圆整流板与组合导流片的连线上。

4、其中，本发明的原理为：通过直角三通设备流量比例分配确定分流/汇流位置，并在分流/汇流位置布置组合导流片，实现直角三通设备内的分流/汇流的同时，抑制分流/汇流点附近切向流动及回流，降低直角三通设备内流动能量损失；在由组合导流片确定的各合流管道布置线位置分别布置导流片组，抑制直角三通内气流转向产生的涡流，实现气流顺利转向的同时，减小直角三通设备流致结构振动、降低流动能量损失。

5、优选的，第一分流管道与第二分流管道的轴线平行，合流管道的轴线与第一分流管道和第二分流管道的轴线均垂直，实现气流直角转向和分流/汇流。

6、优选的，第一分流管道与第二分流管道的宽度之和与合流管道的宽度之比为1:1.3至1.3:1，以避免因流动速度变化过快导致的导流片表面附近流动分离。气流在转向90°的同时，如伴随有面积扩散，气流速度迅速下降带来的沿流向逆压梯度，将增加导流片流动分离的风险，该风险随着面积扩散比例的增大而增大、当面积扩散比超过1.3左右迅速增加。因此，应控制在1:1.3至1.3:1之间，确保分流/汇流两种模式运行条件下，流动分离风险较小。

7、优选的，组合导流片的中心线与合流管道的分流线重合，避免组合导流片附近出现回流、以及明显的剪切流动，以提高流动稳定性、降低流动损失。

8、优选的，组合导流片背面贴合在第一分流管道与第二分流管道重合的侧壁，组合导流片正面设有沿合流管道的分流线向合流管道延伸的凸起，凸起靠近第一导流片组的侧壁形状与第一导流片组中的导流片形状匹配，凸起靠近第二导流片组的侧壁形状与第二导流片组中的导流片形状匹配，实现直角三通设备分流终点/汇流起点附近复杂流动的整流，降低流动损失、提高流动稳定性。

9、优选的，第一导圆整流板和第二导圆整流板均为1/4圆弧弯板。该类型导流片结构形式简单、便于加工；且导流片外形沿导流片布置线对称，顺向、反向流动特性一致，应用于直角三通设备时，分流、汇流两种流动模式性能一致。

10、优选的，第一导流片组包括n1片导流片，n1片导流片采用等间距直列的方式布置，布置稠度为2～3，申请人研究发现布置稠度小于2容易产生流动分离，布置稠度大于3增加阻力损失。气流转向90°时，布置导流片、且采用等间距直列方式，其中等间距直列布置方式，具有设计简单、流动均匀性好的优点。其中，布置稠度的定义为导流片弦长与相邻两片沿排列方向间距之比。

11、优选的，第二导流片组包括n2片导流片，n2片导流片采用等间距且直列方式布置，布置稠度为2～3，申请人研究发现布置稠度小于2容易产生流动分离，布置稠度大于3增加阻力损失。

12、优选的，第一导流片组和第二导流片组中的导流片翼型和尺寸均相同，以简化组合导流片结构形式，同时便于结构各导流片组的加工。

13、本发明还提供了一种所述的一种矩形截面气动直角三通设备的设计方法，所述方法包括：

14、步骤1：确定设计输入参数，包括：合流管道尺寸、第一分流管道和第二分流管道的流量分配；

15、步骤2：确定设计参数，包括：第二分流管道布置导流片翼型、数目和布置导流片稠度；

16、步骤3：根据第一分流管道和第二分流管道的流量分配确定截面尺寸及合流管道分流线位置；

17、步骤4：根据合流管道分流线位置确定第一导流片组和第二导流片组的布置线位置及长度；

18、步骤5：根据第二导流片组的布置线长度、布置稠度和布置片数，确定第二导流片组中导流片弦长和布置间距；

19、步骤6：根据第一导流片组的布置线长度及第二导流片组的导流片弦长和布置间距，确定第一导流片组布置导流片数目；

20、步骤7：根据第一导流片组和第二导流片组布置的导流片弦长，确定第一导圆整流板、第二导圆整流板和组合导流片的尺寸。

21、其中，本方法的原理为：通过直角三通设备流量比例分配确定分流/汇流位置，并在分流/汇流位置布置组合导流片，实现直角三通设备内的分流/汇流的同时，抑制分流/汇流点附近切向流动及回流，降低直角三通设备内流动能量损失；在由组合导流片确定的各合流管道布置线位置分别布置导流片组，抑制直角三通内气流转向产生的涡流，实现气流顺利转向的同时，减小直角三通设备流致结构振动、降低流动能量损失。

22、本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

23、本发明所涉及的一种矩形截面气动直角三通设备，适用于风洞中流动速度较高的大型气动直角三通设备，与常规直角三通设备相比：通过布置导流片规整气流，抑制了气流大角度转向、气流分流/汇流过程中的流动分离、涡流、以及不稳定流动，降低压力损失、减少结构振动、提高设备使用寿命。常规直角三通内流动复杂，存在大量的流动分离、涡流、不稳定流动，本发明中导流片整流抑制上述非理想流动，降低压力损失、减少结构振动、提高设备使用寿命。

24、本发明所涉及的一种矩形截面气动直角三通设备设计方法，能够根据不同的应用环境和设计要求，快速有效地设计出一种气动高效的直角三通设备。