一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法

本发明属于工业通风，具体涉及一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法。

背景技术：

1、工人职业健康与工业建筑室内空气品质密切相关，特别是在高污染高散发类工业建筑中。送风系统是营造健康室内环境最常用且有效的方法。其中，通风系统送风边界条件是否能够有效营造室内空气环境质量的核心。工程上，通常假定送风边界是等速同向、低湍流度的理想均匀或设定好的送风分布，这些送风边界可有效减少沿程环境空气与送风气流之间的掺混，弱化传质，减小轴线速度的衰减，实现送风气流的远距离输运。然而，实际应用中送风边界上游存在的局部扰动源，如弯管、扩大或收缩等连接件，会引起畸变来流，导致实际送风边界偏离理想均匀假设，送风射流性能下降，使得通风性能偏离设计预期，严重的甚至失效。

2、为有效调整畸变的来流，使其接近预期的送风，从而实现送风的高效输送，在送风口中安装孔板、蜂窝等整流装置是常见措施。但这些整流构件存在阻力大、所需安装空间大的弊端。与此同时，当畸变来流复杂，且送风口安装空间较短时，常通过调整传统整流装置的参数来寻优，以期实现特定的送风分布，但这种方法需要耗费大量的时间成本，且由于无法全面考虑流道与整流装置的合理分配，往往难以实现预期的送风需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有通风系统送风会引起畸变来流，造成射流性能不高问题，本发明提供了一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，包括如下步骤：

4、s1：明确预期送风分布；

5、s2：确定真实工况下送风口上游的来流结构与送风口安装空间，确定送风口来流参数与结构尺寸参数；

6、s3：建立送风口整流拓扑优化模型，指定优化区域ω；

7、s4：确定优化区域ω的目标函数和约束条件；

8、s5：使用优化算法进行迭代求解，获得送风整流优化模型，对送风整流优化模型进行再次优化，获得初步优化的送风整流结构；

9、s6：建立三维模型，计算送风口出风速度与压力分布；

10、s7：验证是否满足设计要求，不满足返回s2进行重新迭代；

11、s8：获得可实现预期分布的最佳送风整流结构。

12、s2中，送风口上游的来流结构包括风机、弯头或变径等，这些构件会扰动送风气流，使得送风气流呈现不同程度的畸变，从而严重影响送风性能，因此需要明确其来流的速度分布以及送风口的结构尺寸，根据送风口的结构尺寸，即送风口的长宽高，确定送风口的安装空间。

13、s3中所述送风口整流拓扑优化模型，需指定优化区域ω与非优化区域，优化区域ω初始指定为固体域，即优化区域ω内没有液体流动，然后不断迭代优化出能实现最小目标函数的流体流动区域。

14、s4中以出口速度大小标准偏差和流体流动功耗最小为目标函数，如下式所示：

15、f＝c1a+c2b

16、上式中，

17、其中f表示目标函数，a表示速度偏差，b表示流体耗散功，c1、c2分别表示目标函数中权数因子，θ为设计变量，η为流体动力粘度，α(γ)为阻流系数，u为流体运动速度，为平均速度，i,j为不同的坐标角标。

18、以出口速度大小的标准偏差和流体流动最小耗功为目标，以流体体积分数和标准偏差的范围为约束条件，建立拓扑优化数学模型：findθ

19、目标：min f＝c1a+c2b

20、约束：

21、

22、f＝-αu；α＝(1+re-1)da-1θp；

23、其中ρ为流体密度，p为压力，f表示体积力项，α为多孔介质的反渗透系数，与设计变量θ有关，re可表征流体流动状态的无量纲数，达西数da表征多孔介质渗透能力大小的无量纲数，θp为罚体积因子，通过改插值可在优化过程中实现流体域与固体域之间的转化。

24、s5中，所述优化算法为移动渐进算法mma，使用优化算法对优化区域ω进行迭代求解，获得送风整流优化模型。

25、对于送风整流优化模型采用亥姆霍兹滤波和双曲正切投影进行再次优化，获得初步优化的送风整流结构。

26、s6中，建立送风整流结构的三维模型的方法为：采用过滤器对拓扑结构进行过滤，获得边界光滑的拓扑结构，接着将拓扑几何模型cad操作为三维模型。

27、获得三维模型后，重新划分网格，导入fluent软件中进行流场计算，计算送风口出风速度分布与压力分布的方法：采用速度标准偏差rms和阻力系数k对比优化前后的送风分布和所消耗的能耗，以评估拓扑结构是否最佳。

28、速度标准偏差rms和阻力系数k的计算方式为：

29、

30、其中，n为检测测点总数，pin为送风口进口压力，pout为送风口出口压力，pd为送风口出口动压。

31、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

32、本发明涉及一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，包括以下步骤：明确预期送风分布，根据实际工程确定送风口来流参数与结构尺寸参数；建立送风口整流拓扑优化模型，指定优化区域ω；确定优化区域ω的目标函数和约束条件；使用优化算法对拓扑优化模型进行迭代求解，获得不同初始结构下的整流送风优化模型；建立优化后的三维模型，通过计算出风速度分布和压力分布验证送风分布是否满足设计要求；最终选取出最优设计。通过抽取送风口整流拓扑优化模型，使用优化算法进行迭代求解获得送风整流优化模型，可生成性能更佳、更满足需求的整流构件，解决了现有通风系统送风由于畸变来流而造成射流性能不高的问题，可自动根据来流分布调整整流拓扑结构，得到的送风分布更接近于预期送风，且耗费的阻力更小，具有很强的通用性和工程意义。

33、进一步的，本发明采用速度分布均匀性和流动功耗为加权目标，可以针对不同场合的需求，对权重进行改变，以实现精细化设计。

34、进一步的，mma算法能够有效地处理复杂的非线性优化问题，尤其是目标函数复杂且具有多约束的拓扑优化问题。

35、进一步的，fluent软件支持多种模型和求解方法的选择，用户可以根据具体需求来选择适合的方法来进行仿真计算。

技术特征：

1.一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，s3中所述送风口整流拓扑优化模型，指定优化区域ω与非优化区域，优化区域ω初始指定为固体域，即优化区域ω内没有液体流动。

3.根据权利要求1所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，s4中以出口速度大小标准偏差和流体流动功耗最小为目标函数，如下式所示：

4.根据权利要求3所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，以出口速度大小的标准偏差和流体流动最小耗功为目标，以流体体积分数和标准偏差的范围为约束条件，建立拓扑优化数学模型：findθ

5.根据权利要求1所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，s5中，所述优化算法为移动渐进算法mma，使用优化算法对优化区域ω进行迭代求解，获得送风整流优化模型。

6.根据权利要求5所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，对于送风整流优化模型采用亥姆霍兹滤波和双曲正切投影进行再次优化，获得初步优化的送风整流结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，s6中，建立送风整流结构的三维模型的方法为：采用过滤器对拓扑结构进行过滤，获得边界光滑的拓扑结构，接着将拓扑几何模型cad操作为三维模型。

8.根据权利要求7所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，获得三维模型后，重新划分网格，导入fluent软件中进行流场计算，计算送风口出风速度分布与压力分布的方法：采用速度标准偏差rms和阻力系数k对比优化前后的送风分布和所消耗的能耗，以评估拓扑结构是否最佳。

9.根据权利要求8所述的一种基于流动拓扑的送风口整流设计方法，其特征在于，速度标准偏差rms和阻力系数k的计算方式为：

技术总结本发明公开了一种基于流动拓扑优化的送风口整流设计方法，属于工业建筑通风领域，包括以下步骤：明确预期送风分布，根据实际工程确定送风口来流参数与结构尺寸参数；建立二维送风口整流拓扑优化模型；以出口速度大小的标准偏差和流体流动最小耗功为目标，以流体体积分数和标准偏差的范围为约束条件；使用优化算法对拓扑优化模型进行迭代求解，获得不同初条件下的整流送风优化模型；建立优化后的三维子模型，通过计算出风速度分布和压力分布验证送风分布是否满足设计要求；最终选取出最优设计。本发明以最小能耗实现出口的均匀送风分布或特定的送风分布，对于高效的将送风气流输运至目标区域，营造健康良好的室内环境具有重要意义。技术研发人员：权梦凡,周宇,王怡,曹智翔受保护的技术使用者：西安建筑科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26