大型預(yù)制送風(fēng)管道彎頭導(dǎo)流降阻特性仿真

湯 毅，王海東，盧佳華，白清菡，王瑞鯤

（1.上海市安裝工程集團(tuán)有限公司，上海 200080；2.上海理工大學(xué)，上海 200093；3.航天萬(wàn)源實(shí)業(yè)有限公司，北京 100076）

0 引言

近年來，由于建筑體量的增長(zhǎng)和人員舒適度要求的提高，通風(fēng)空調(diào)的負(fù)荷量和送、排風(fēng)量也隨之上升。大尺寸風(fēng)管（矩形管道長(zhǎng)邊或圓形管道直徑超過2 m）在工程中屢見不鮮，使用大尺寸管道可將建筑中某些特定區(qū)域的送、排風(fēng)系統(tǒng)管路合并，以起到節(jié)約安裝周期、板材和空間等目的。但大尺寸通風(fēng)管道的使用也存在一些通病，如自身重力和振動(dòng)大導(dǎo)致加固要求較嚴(yán)格，而現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)此做出嚴(yán)格的限定，使得工程中的風(fēng)管加固位置只能憑經(jīng)驗(yàn)，此外加固方式一般只考慮操作便捷性。另一方面，《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》中明確指出“通風(fēng)空調(diào)管道阻力問題引起的風(fēng)機(jī)能耗占建筑總電耗（公共建筑）的比例較大，約為15%～30%［1］。通風(fēng)空調(diào)管道系統(tǒng)的阻力問題還關(guān)乎工業(yè)建筑的安全生產(chǎn)和人員工作環(huán)境健康，管道系統(tǒng)的阻力增高［2］還可誘發(fā)氣動(dòng)噪聲污染［3］、加速管壁磨損、增加管道積灰及有害微生物沉積、引起風(fēng)機(jī)喘振［4］等，由此引發(fā)的各類事故更是屢見不鮮［5］。

對(duì)于常規(guī)的民用工程，管道系統(tǒng)中彎頭部分相對(duì)于直管段，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性更容易導(dǎo)致振動(dòng)、氣流不均、噪聲大的現(xiàn)象發(fā)生，也可能因此導(dǎo)致通風(fēng)能源的大量浪費(fèi)。而對(duì)于潔凈工程、試驗(yàn)室或特殊的工業(yè)車間，風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)更注重氣流的均勻性。鑒于前期的工作均針對(duì)不同種類的彎頭和導(dǎo)流片的形式［6-7］作數(shù)值化研究對(duì)比，未對(duì)導(dǎo)流片的具體布置方式作對(duì)比研究。本文采用可視化的數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)大尺寸風(fēng)管彎頭內(nèi)的氣流組織特性做研究分析，旨在機(jī)電安裝工程開展前能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各類可能存在的隱患，為工程質(zhì)量、成本和建設(shè)工期的全面控制提供借鑒。

1 仿真模型的設(shè)置

1.1 試驗(yàn)驗(yàn)證研究

為了確保仿真模擬的準(zhǔn)確性，在模擬之前進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，該模型以實(shí)際大型風(fēng)管為原型，按照幾何比例1：6搭建而成。為了確保制造的可行性，風(fēng)管彎頭采用直角彎頭，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)如圖1所示，圖中數(shù)字1-9代表9條速度測(cè)線，每條測(cè)線上平均分布10個(gè)速度測(cè)點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)圖Fig.1 System diagram of experimental model

選取測(cè)線4～6的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從圖2可以看出，這3條測(cè)線上的速度分布模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 不同測(cè)線試驗(yàn)與模擬的速度分布對(duì)比Fig.2 Comparison of velocity distribution between experiment and simulation on different measuring lines

1.2 模型建立參考依據(jù)

本次仿真根據(jù)GB 50738—2011《通風(fēng)與空調(diào)工程施工規(guī)范》中第四章：對(duì)于金屬風(fēng)管與配件制作的相關(guān)規(guī)定［8］。

（1）邊長(zhǎng)大于或等于500 mm，且內(nèi)弧半徑與彎頭端口邊長(zhǎng)比小于或等于0.25時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流葉片，導(dǎo)流葉片宜采用單片式、月牙式兩種類型；

（2）導(dǎo)流葉片內(nèi)弧應(yīng)與彎管同心，導(dǎo)流葉片應(yīng)與風(fēng)管內(nèi)弧等弦長(zhǎng)；

（3）導(dǎo)流葉片間距L可采用等距或漸變?cè)O(shè)置的方式，最小葉片間距不宜小于200 mm，導(dǎo)流葉片的數(shù)量可采用平面邊長(zhǎng)除以500的倍數(shù)來確定，最多不宜超過4片。導(dǎo)流葉片應(yīng)與風(fēng)管固定牢固，固定方式可采用螺栓或鉚釘。

在工程中，導(dǎo)流片安裝數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致成本、工期和操作難度的上升，由于缺乏相應(yīng)文獻(xiàn)資料和國(guó)外規(guī)范參考，目前我國(guó)的施工規(guī)范只規(guī)定了對(duì)于大尺寸風(fēng)管彎頭應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流片，但未限定導(dǎo)流片的類型、數(shù)量和排布位置，因此施工中對(duì)風(fēng)管彎頭內(nèi)導(dǎo)流片的數(shù)量和位置選擇存在很大的隨機(jī)性。本文故針對(duì)此進(jìn)行模擬研究總計(jì)5種工況下，不同導(dǎo)流片數(shù)量和位置對(duì)風(fēng)管內(nèi)氣流組織的影響，如圖3所示。

圖3 不同導(dǎo)流片排布的彎管示意Fig.3 Schematic diagram of different deflector arrangement in duct elbow

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

進(jìn)行仿真模擬的風(fēng)管為實(shí)際工程中的送風(fēng)管道，橫截面長(zhǎng)4 m，寬1.2 m，彎管內(nèi)弧半徑0.538 m，入口段風(fēng)速為5 m/s，為確保彎頭的流入流出段有足夠的穩(wěn)定發(fā)展段，在其上下游分布設(shè)置了足夠長(zhǎng)度的直管段（上游段10 m，下游段15 m），利用PHOENICS軟件建立了簡(jiǎn)化的幾何模型，如圖4所示。

圖4 模型軸測(cè)示意Fig.4 Axonometric diagram of the model

模擬計(jì)算方法為穩(wěn)態(tài)方法，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)差分采用QUICK格式，湍流模型選用RNGk-ε模型，每個(gè)工況的迭代步數(shù)為2 000步。本模型形狀較為規(guī)則，因此在保證計(jì)算準(zhǔn)確的情況下盡可能減少網(wǎng)格數(shù)量，由于每種工況導(dǎo)流片形式、數(shù)量和布置位置不同，網(wǎng)格數(shù)量會(huì)有些許差異，總體網(wǎng)格數(shù)量在10萬(wàn)左右，并且在彎管和風(fēng)管進(jìn)出口進(jìn)行局部加密處理。在計(jì)算過程中，每種情況中各項(xiàng)設(shè)定方程的殘差都達(dá)到了較為穩(wěn)定的狀態(tài)，迭代達(dá)到了很好的收斂性。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 流速場(chǎng)分析

圖5～9分別示出各個(gè)工況模型速度分布云圖及矢量，氣流通過彎管時(shí)，下游出口段氣流有明顯地偏流現(xiàn)象，偏向外弧壁一側(cè)，可以從圖中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流片不僅僅具有減阻的效果，還具有整流地效果。通過對(duì)5個(gè)工況中不同導(dǎo)流片類型、數(shù)量和位置對(duì)下游直管段氣流的影響進(jìn)行對(duì)比，找出整流效果相對(duì)較好的導(dǎo)流片形式。

2.1.1 導(dǎo)流片數(shù)量對(duì)風(fēng)管彎頭內(nèi)流場(chǎng)的影響

圖5～7分別示出在導(dǎo)流片位置等距分布的前提下，不同數(shù)量的導(dǎo)流片（分別為2片，4片和6片）的設(shè)置對(duì)彎頭內(nèi)流速場(chǎng)的影響。由于導(dǎo)流片之間和導(dǎo)流片與內(nèi)外壁之間的流通面積有不同程度的差異，彎頭區(qū)域形成了不同范圍的速度分層現(xiàn)象，從3種工況的仿真結(jié)果可知增加導(dǎo)流片數(shù)量能起到更好的整流效果，尤其是可較快的提高彎頭內(nèi)的氣流均勻性，具體表現(xiàn)為當(dāng)導(dǎo)流片數(shù)量增加時(shí)，彎頭區(qū)域的速度分層現(xiàn)象明顯減弱，且導(dǎo)流片的增加有助于彎頭下段的氣流快速達(dá)到均衡分布。

圖5 2片均勻分布導(dǎo)流片彎管風(fēng)速矢量圖與風(fēng)速云圖Fig.5 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with two uniformly distributed deflectors

圖6 4片均勻分布導(dǎo)流片彎管風(fēng)速矢量圖與風(fēng)速云圖Fig.6 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with four uniformly distributed deflectors

圖7 6片均勻分布導(dǎo)流片彎管風(fēng)速矢量圖與風(fēng)速云圖Fig.7 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with six uniformly distributed deflectors

2.1.2 導(dǎo)流片位置對(duì)風(fēng)管彎頭內(nèi)流場(chǎng)的影響

在不同位置的導(dǎo)流片設(shè)置（分別為靠?jī)蓚?cè)、集中設(shè)置和等距設(shè)置）對(duì)彎頭內(nèi)氣流組織影響的仿真結(jié)果如圖8，9所示。經(jīng)過分析可知，在同樣兩片導(dǎo)流的設(shè)置條件下，集中和等距設(shè)置導(dǎo)流的形式有使下游氣流更容易趨于均勻的趨勢(shì)，而靠?jī)蓚?cè)設(shè)置導(dǎo)流片時(shí)，靠?jī)?nèi)弧側(cè)的高速氣流區(qū)域較其他兩種情況更小，這說明發(fā)生振動(dòng)的概率更小，但也預(yù)示著需要更長(zhǎng)的下游使氣流充分發(fā)展以達(dá)到穩(wěn)定。仿真的結(jié)果預(yù)示著劇院類對(duì)聲學(xué)振動(dòng)要求高的場(chǎng)所，在導(dǎo)流片數(shù)量受管道制作工藝限定時(shí)，可采用偏兩側(cè)設(shè)置的形式以達(dá)到減振降噪的效果；而對(duì)于試驗(yàn)室等要求穩(wěn)定氣流的場(chǎng)所，則可選擇另兩種設(shè)置形式以實(shí)現(xiàn)彎頭下游風(fēng)口速度均勻分布。

圖8 2片式兩側(cè)分布導(dǎo)流片彎管風(fēng)速矢量圖與風(fēng)速云圖Fig.8 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with two deflectors distributed on both sides

圖9 2片式集中分布導(dǎo)流片彎管風(fēng)速矢量圖與風(fēng)速云圖Fig.9 Velocity vector diagram and nephogram of the elbow with two centrally distributed deflectors

2.2 壓力場(chǎng)分布與局部阻力系數(shù)

圖10，11分別示出各個(gè)工況模型壓強(qiáng)分布云圖，通過所有工況的全壓圖可以看出，氣流通過彎管時(shí)，偏向外弧壁一側(cè)會(huì)形成一塊負(fù)壓區(qū)，至管段出口處又恢復(fù)為正壓。給彎管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流片可以改善氣流經(jīng)過彎管后所產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)，使氣流全壓更加均勻，從而減少渦流的產(chǎn)生，這也是導(dǎo)流片能夠起到減阻效果的根本原因。本研究采用間接法測(cè)量彎管局部阻力來研究導(dǎo)流片設(shè)置對(duì)阻力的影響，具體方法為結(jié)合無導(dǎo)流片狀態(tài)下的模擬結(jié)果，比較管段前后段阻力差與該段沿程阻力的差值，從而得到各個(gè)工況下的彎管局部阻力。通過對(duì)5個(gè)工況中不同導(dǎo)流片數(shù)量和位置的減阻效果進(jìn)行對(duì)比，找出減阻效果相對(duì)較好的導(dǎo)流片形式。

圖10 不同數(shù)量導(dǎo)流片均勻分布的壓強(qiáng)云圖Fig.10 Pressure nephogram of different number of uniformly distributed deflectors

圖11 2片式導(dǎo)流片壓強(qiáng)云圖Fig.11 Pressure nephogram of two deflectors

2.2.1 導(dǎo)流片數(shù)量對(duì)壓力與局部阻力的影響

通過表1的數(shù)據(jù)可知，在導(dǎo)流片類型相同的工況下，隨著導(dǎo)流片數(shù)的增加，彎頭的阻力系數(shù)逐漸降低，而降低的幅度并不是十分明顯。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，魚晟睿等［9］對(duì)320 mm×320 mm的內(nèi)弧外直角彎管進(jìn)行模擬試驗(yàn)，導(dǎo)流片從2片，3片，增加至6片，發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)流片數(shù)的增加，彎管的阻力系數(shù)先增后減，最佳降阻效果是使用4片導(dǎo)流片，由此可見，導(dǎo)流葉片可能存在一個(gè)最佳間距，而本次模擬的對(duì)象相對(duì)較大，后續(xù)可進(jìn)行下一步仿真以預(yù)測(cè)該最佳間距，從而得出最佳導(dǎo)流片數(shù)量。

表1 不同片數(shù)導(dǎo)流片降阻效果對(duì)比Tab.1 Comparison table of drag reduction effect of different number of deflectors

2.2.2 導(dǎo)流片設(shè)置位置對(duì)壓力與局部阻力的影響

從圖11，圖10（a）和表2可知，在導(dǎo)流片類型和數(shù)量相同的工況下，導(dǎo)流片首片越向中部集中，導(dǎo)流片減阻效果越差，對(duì)內(nèi)弧壁的渦流導(dǎo)流效果越差，甚至?xí)龃髲澒芫植孔枇?。?dǎo)流片首片對(duì)導(dǎo)流效果起著至關(guān)重要的作用，直接決定著導(dǎo)流降阻效果。

表2 不同位置導(dǎo)流片降阻效果對(duì)比Tab.2 Comparison of drag reduction effect of deflectors in different positions

3 結(jié)論

（1）設(shè)置合理形式和數(shù)量的導(dǎo)流片，不但能起到均勻氣流的作用，也能減緩系統(tǒng)的阻力損失，具體表現(xiàn)為導(dǎo)流片數(shù)量從2片增加至6片時(shí)，彎頭區(qū)域的速度分層現(xiàn)象明顯減弱，管內(nèi)氣流更均勻。但導(dǎo)流片的位置不合適反而會(huì)增加系統(tǒng)阻力，具體表現(xiàn)為集中設(shè)置的導(dǎo)流片會(huì)增加系統(tǒng)2.35%的局部阻力，此外對(duì)內(nèi)弧壁的渦流導(dǎo)流效果也越差。

（2）通過全壓圖可以看出，彎頭內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流片會(huì)改善氣流經(jīng)過彎頭后所產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)，使氣流全壓更加均勻，從而減少渦流的產(chǎn)生，導(dǎo)流效果受距離內(nèi)弧面最近的第一塊導(dǎo)流片影響最大。

（3）在氣流通過彎頭時(shí)，彎頭內(nèi)側(cè)氣流速度較大（本文仿真的工況下約8.2～9.3 m/s），氣流動(dòng)壓較大，部分內(nèi)弧壁靜壓處于負(fù)值（本文仿真的各種工況下最大約-20 Pa左右）。對(duì)于內(nèi)弧面曲率半徑較小的彎管，設(shè)置導(dǎo)流片只能一定程度上削弱負(fù)壓區(qū)的面積和大小卻不能消除這部分區(qū)域。

（4）對(duì)于高聲學(xué)要求的場(chǎng)所，擬推薦導(dǎo)流片偏彎頭外壁設(shè)置，如此能減小彎頭內(nèi)的振動(dòng)；而對(duì)于潔凈室、試驗(yàn)室和制藥廠房等追求氣流均勻性的場(chǎng)所，擬推薦導(dǎo)流片的設(shè)置宜采用等距或集中以得到更均勻的下游氣流。