大型预制送风管道弯头导流降阻特性仿真

汤 毅，王海东，卢佳华，白清菡，王瑞鲲

（1.上海市安装工程集团有限公司，上海 200080；2.上海理工大学，上海 200093；3.航天万源实业有限公司，北京 100076）

0 引言

近年来，由于建筑体量的增长和人员舒适度要求的提高，通风空调的负荷量和送、排风量也随之上升。大尺寸风管（矩形管道长边或圆形管道直径超过2 m）在工程中屡见不鲜，使用大尺寸管道可将建筑中某些特定区域的送、排风系统管路合并，以起到节约安装周期、板材和空间等目的。但大尺寸通风管道的使用也存在一些通病，如自身重力和振动大导致加固要求较严格，而现行的国家标准未对此做出严格的限定，使得工程中的风管加固位置只能凭经验，此外加固方式一般只考虑操作便捷性。另一方面，《中国建筑节能年度发展研究报告》中明确指出“通风空调管道阻力问题引起的风机能耗占建筑总电耗（公共建筑）的比例较大，约为15%～30%［1］。通风空调管道系统的阻力问题还关乎工业建筑的安全生产和人员工作环境健康，管道系统的阻力增高［2］还可诱发气动噪声污染［3］、加速管壁磨损、增加管道积灰及有害微生物沉积、引起风机喘振［4］等，由此引发的各类事故更是屡见不鲜［5］。

对于常规的民用工程，管道系统中弯头部分相对于直管段，由于其结构的特殊性更容易导致振动、气流不均、噪声大的现象发生，也可能因此导致通风能源的大量浪费。而对于洁净工程、试验室或特殊的工业车间，风管系统内更注重气流的均匀性。鉴于前期的工作均针对不同种类的弯头和导流片的形式［6-7］作数值化研究对比，未对导流片的具体布置方式作对比研究。本文采用可视化的数值仿真技术，对大尺寸风管弯头内的气流组织特性做研究分析，旨在机电安装工程开展前能及时发现各类可能存在的隐患，为工程质量、成本和建设工期的全面控制提供借鉴。

1 仿真模型的设置

1.1 试验验证研究

为了确保仿真模拟的准确性，在模拟之前进行缩尺模型试验，该模型以实际大型风管为原型，按照几何比例1：6搭建而成。为了确保制造的可行性，风管弯头采用直角弯头，试验模型系统如图1所示，图中数字1-9代表9条速度测线，每条测线上平均分布10个速度测点。

图1 试验模型系统图Fig.1 System diagram of experimental model

选取测线4～6的试验结果与模拟结果进行对比，从图2可以看出，这3条测线上的速度分布模拟结果与试验结果一致，验证了仿真模拟结果的准确性。

图2 不同测线试验与模拟的速度分布对比Fig.2 Comparison of velocity distribution between experiment and simulation on different measuring lines

1.2 模型建立参考依据

本次仿真根据GB 50738—2011《通风与空调工程施工规范》中第四章：对于金属风管与配件制作的相关规定［8］。

（1）边长大于或等于500 mm，且内弧半径与弯头端口边长比小于或等于0.25时，应设置导流叶片，导流叶片宜采用单片式、月牙式两种类型；

（2）导流叶片内弧应与弯管同心，导流叶片应与风管内弧等弦长；

（3）导流叶片间距L可采用等距或渐变设置的方式，最小叶片间距不宜小于200 mm，导流叶片的数量可采用平面边长除以500的倍数来确定，最多不宜超过4片。导流叶片应与风管固定牢固，固定方式可采用螺栓或铆钉。

在工程中，导流片安装数量的增加会导致成本、工期和操作难度的上升，由于缺乏相应文献资料和国外规范参考，目前我国的施工规范只规定了对于大尺寸风管弯头应设置导流片，但未限定导流片的类型、数量和排布位置，因此施工中对风管弯头内导流片的数量和位置选择存在很大的随机性。本文故针对此进行模拟研究总计5种工况下，不同导流片数量和位置对风管内气流组织的影响，如图3所示。

图3 不同导流片排布的弯管示意Fig.3 Schematic diagram of different deflector arrangement in duct elbow

1.3 模型参数设置

进行仿真模拟的风管为实际工程中的送风管道，横截面长4 m，宽1.2 m，弯管内弧半径0.538 m，入口段风速为5 m/s，为确保弯头的流入流出段有足够的稳定发展段，在其上下游分布设置了足够长度的直管段（上游段10 m，下游段15 m），利用PHOENICS软件建立了简化的几何模型，如图4所示。

图4 模型轴测示意Fig.4 Axonometric diagram of the model

模拟计算方法为稳态方法，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，对流项差分采用QUICK格式，湍流模型选用RNGk-ε模型，每个工况的迭代步数为2 000步。本模型形状较为规则，因此在保证计算准确的情况下尽可能减少网格数量，由于每种工况导流片形式、数量和布置位置不同，网格数量会有些许差异，总体网格数量在10万左右，并且在弯管和风管进出口进行局部加密处理。在计算过程中，每种情况中各项设定方程的残差都达到了较为稳定的状态，迭代达到了很好的收敛性。

2 模拟结果及分析

2.1 流速场分析

图5～9分别示出各个工况模型速度分布云图及矢量，气流通过弯管时，下游出口段气流有明显地偏流现象，偏向外弧壁一侧，可以从图中发现导流片不仅仅具有减阻的效果，还具有整流地效果。通过对5个工况中不同导流片类型、数量和位置对下游直管段气流的影响进行对比，找出整流效果相对较好的导流片形式。

2.1.1 导流片数量对风管弯头内流场的影响

图5～7分别示出在导流片位置等距分布的前提下，不同数量的导流片（分别为2片，4片和6片）的设置对弯头内流速场的影响。由于导流片之间和导流片与内外壁之间的流通面积有不同程度的差异，弯头区域形成了不同范围的速度分层现象，从3种工况的仿真结果可知增加导流片数量能起到更好的整流效果，尤其是可较快的提高弯头内的气流均匀性，具体表现为当导流片数量增加时，弯头区域的速度分层现象明显减弱，且导流片的增加有助于弯头下段的气流快速达到均衡分布。

图5 2片均匀分布导流片弯管风速矢量图与风速云图Fig.5 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with two uniformly distributed deflectors

图6 4片均匀分布导流片弯管风速矢量图与风速云图Fig.6 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with four uniformly distributed deflectors

图7 6片均匀分布导流片弯管风速矢量图与风速云图Fig.7 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with six uniformly distributed deflectors

2.1.2 导流片位置对风管弯头内流场的影响

在不同位置的导流片设置（分别为靠两侧、集中设置和等距设置）对弯头内气流组织影响的仿真结果如图8，9所示。经过分析可知，在同样两片导流的设置条件下，集中和等距设置导流的形式有使下游气流更容易趋于均匀的趋势，而靠两侧设置导流片时，靠内弧侧的高速气流区域较其他两种情况更小，这说明发生振动的概率更小，但也预示着需要更长的下游使气流充分发展以达到稳定。仿真的结果预示着剧院类对声学振动要求高的场所，在导流片数量受管道制作工艺限定时，可采用偏两侧设置的形式以达到减振降噪的效果；而对于试验室等要求稳定气流的场所，则可选择另两种设置形式以实现弯头下游风口速度均匀分布。

图8 2片式两侧分布导流片弯管风速矢量图与风速云图Fig.8 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with two deflectors distributed on both sides

图9 2片式集中分布导流片弯管风速矢量图与风速云图Fig.9 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with two centrally distributed deflectors

2.2 压力场分布与局部阻力系数

图10，11分别示出各个工况模型压强分布云图，通过所有工况的全压图可以看出，气流通过弯管时，偏向外弧壁一侧会形成一块负压区，至管段出口处又恢复为正压。给弯管内设置导流片可以改善气流经过弯管后所产生的负压区，使气流全压更加均匀，从而减少涡流的产生，这也是导流片能够起到减阻效果的根本原因。本研究采用间接法测量弯管局部阻力来研究导流片设置对阻力的影响，具体方法为结合无导流片状态下的模拟结果，比较管段前后段阻力差与该段沿程阻力的差值，从而得到各个工况下的弯管局部阻力。通过对5个工况中不同导流片数量和位置的减阻效果进行对比，找出减阻效果相对较好的导流片形式。

图10 不同数量导流片均匀分布的压强云图Fig.10 Pressure nephogram of different number of uniformly distributed deflectors

图11 2片式导流片压强云图Fig.11 Pressure nephogram of two deflectors

2.2.1 导流片数量对压力与局部阻力的影响

通过表1的数据可知，在导流片类型相同的工况下，随着导流片数的增加，弯头的阻力系数逐渐降低，而降低的幅度并不是十分明显。通过查阅相关文献，鱼晟睿等［9］对320 mm×320 mm的内弧外直角弯管进行模拟试验，导流片从2片，3片，增加至6片，发现随着导流片数的增加，弯管的阻力系数先增后减，最佳降阻效果是使用4片导流片，由此可见，导流叶片可能存在一个最佳间距，而本次模拟的对象相对较大，后续可进行下一步仿真以预测该最佳间距，从而得出最佳导流片数量。

表1 不同片数导流片降阻效果对比Tab.1 Comparison table of drag reduction effect of different number of deflectors

2.2.2 导流片设置位置对压力与局部阻力的影响

从图11，图10（a）和表2可知，在导流片类型和数量相同的工况下，导流片首片越向中部集中，导流片减阻效果越差，对内弧壁的涡流导流效果越差，甚至会增大弯管局部阻力。导流片首片对导流效果起着至关重要的作用，直接决定着导流降阻效果。

表2 不同位置导流片降阻效果对比Tab.2 Comparison of drag reduction effect of deflectors in different positions

3 结论

（1）设置合理形式和数量的导流片，不但能起到均匀气流的作用，也能减缓系统的阻力损失，具体表现为导流片数量从2片增加至6片时，弯头区域的速度分层现象明显减弱，管内气流更均匀。但导流片的位置不合适反而会增加系统阻力，具体表现为集中设置的导流片会增加系统2.35%的局部阻力，此外对内弧壁的涡流导流效果也越差。

（2）通过全压图可以看出，弯头内设置导流片会改善气流经过弯头后所产生的负压区，使气流全压更加均匀，从而减少涡流的产生，导流效果受距离内弧面最近的第一块导流片影响最大。

（3）在气流通过弯头时，弯头内侧气流速度较大（本文仿真的工况下约8.2～9.3 m/s），气流动压较大，部分内弧壁静压处于负值（本文仿真的各种工况下最大约-20 Pa左右）。对于内弧面曲率半径较小的弯管，设置导流片只能一定程度上削弱负压区的面积和大小却不能消除这部分区域。

（4）对于高声学要求的场所，拟推荐导流片偏弯头外壁设置，如此能减小弯头内的振动；而对于洁净室、试验室和制药厂房等追求气流均匀性的场所，拟推荐导流片的设置宜采用等距或集中以得到更均匀的下游气流。