導流片對預制彎頭內氣流組織的影響

湯 毅

上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

風管系統中，常用的彎頭種類為內外弧型、內弧外直角型和內斜線外直角型等，彎頭結構的不同會導致內部氣流組織不同，進而影響系統的沿程阻力、能耗和噪聲。對于直角型大型彎頭（內弧外直角和內斜線外直角型），按照現行國家與行業規范的規定，需要設置一定數量的導流片以均勻內部氣流組織。由于大型彎頭內流場無法實現可視化，傳統的測試方法是在安裝完成后的相應位置打洞進行測試，而此方法會對彎頭造成破壞，且測試空間限制、測試儀器精度和人為讀數誤差均會給實驗結果帶來影響，因此需要在前期利用數值仿真來進行相應的預測，并通過比較不同型號彎頭內的導流效果來為風管彎頭選型提供相應的理論依據。

本文以上海軌道交通莘莊站上蓋綜合機電工程為研究背景，根據相關規范和設計要求建立了風管不同彎頭模型和不同導流片模型，并利用仿真技術進行導流效果比較。

1 計算仿真設置

1.1 仿真模型的設置

本次使用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）進行仿真，通過前期建模，設立內外弧、內弧外直角、內斜線外直角3種形式的彎頭（圖1）。在彎頭的進口和出口分別設了長1 m的風管段，以便氣流在管內能夠得到充分發展，為后續判別導流效果創造有利條件。不同仿真模型中設置的網格數量為6×105～9×105之間。建模過程中嚴格按照現行國家規范GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》和GB 50738—2011《通風與空調工程施工規范》的要求設置導流片片距和彎頭的彎曲半徑。

圖1 不同彎頭導流的模型

1.2 邊界條件設置

風管、彎頭的管壁以及導流片定義為壁面模型，風管系統的兩端定義為氣流入口和出口，氣流初始速度為4 m/s，具體邊界條件定義如下：風管壁為wall、進風口為velocity-inlet、出風口為outflow、導流片為wall，材料性能用薄鋼板的物性參數進行定義。為了仿真能順利進行，并最大程度地貼近實際效果，引用了亞松弛技術（under relaxation）以提高計算收斂效果，同時在仿真中做以下假設和優化：

1）忽略風管、彎頭、導流片壁面的粗糙度對整體氣流組織的影響。

2）忽略氣流中黏性力、密度和重力等對整體氣流組織的影響。

3）本次研究不涉及溫度對氣流組織的影響，故所有溫度設置為常溫。

4）認為風管和彎頭中的中心層面可以分析流動效果，在模型中分離高度方向的中心面做后續可視化分析研究。

1.3 主要研究內容

本次研究主要建立的模型和研究內容如下：

1）比較3種大型彎頭中導流片的布置對氣流流動的影響。

2）比較3種大型彎頭中導流片的形狀對氣流流動的影響。

3）分析不同形式彎頭內的局部氣流速度以判別氣流均勻性。

4）結合風管系統內整體均勻性和出口風速為選型提供依據。

2 仿真結果分析

2.1 無導流彎頭內氣流組織分析

圖2是無導流片形式下3種大型彎頭內氣流組織分布情況，從圖2中可以看出在沒有導流片的情況下，大型彎頭內部都存在氣流分層的現象，高速的氣流受彎頭結構和后續流動的推力影響集中在內弧區域。其中內外弧型彎頭內部氣流均勻性明顯優于內弧外直角和內斜線外直角型彎頭，其氣流速度為3.02～5.33 m/s，外直角型的2種彎頭內部氣流速度在1.40～4.63 m/s之間，外直角區域存在渦流區，這部分氣流由于結構的特性受到極大的沿程阻力（發生90°流向改變），從而直接導致流速迅速減小，而下方的高速流動區阻礙了其向下發展，是渦流區形成的重要原因。而直角彎的設置加大了彎頭中心的流動區域，故最高流速比內外弧型彎頭減少0.7 m/s左右。仿真結果表明外直角彎頭中流速差較內外弧型彎頭大，驗證了GB 50243—2016《通風與空調工程施工質量驗收規范》中“除內外弧型彎頭外，長邊大于500 mm的其他彎頭應設置導流片”的相關規定。

圖2 不同彎頭無導流的氣流組織效果圖

內斜線外直角型彎頭在風管末端出口存在氣流微小分層的現象，風管系統內的氣流均勻性進一步下降。內外弧型彎頭風管系統的末端平均氣流流速為3.92 m/s，稍優于內弧外直型彎頭（末端流速平均為3.87 m/s），而最差的為內斜線外直角型彎頭（末端流速平均為3.81 m/s），這是由于弧型結構特殊的導流效果引起的。

2.2 單片式導流對彎頭內氣流組織的影響

圖3是在3種大型彎頭中，按照JGJ 141—2017《通風管道技術規程》中的推薦距離設置4片單片導流片后的氣流流動效果圖。對比圖2，2種外直角型彎頭內部的氣流組織明顯改善，流速為2.33～3.21 m/s，受導流片結構影響，內外弧型的高速流動區往外轉移，內外弧型彎頭內氣流速度為3.25～4.50 m/s，其氣流均勻性稍優于不設導流片的情況。而內斜線外直角型彎頭其風管末端雖然存在氣流分層，但相比無導流形式有所改善。

圖3 不同彎頭單片式導流的氣流組織效果圖

導流片的設置能提高直角型彎頭內部的氣流均勻性，縮小系統運行噪聲，但也加劇了氣流的沿程阻力和速度損耗，內外弧型彎頭和內弧外直角型彎頭所處的風管系統中，末端氣流平均速度均為3.6 m/s，相比無導流的形式損失了0.27～0.32 m/s，內斜線外直角型彎頭的末端速度平均為3.52 m/s左右，相比無導流的形式損失了0.29 m/s，從仿真結果來看，這些速度損失雖然可能會加大能耗，但基于彎頭內流動均勻性的大幅提高和可預想的減振降噪效果，速度損耗是可以被接受的。

2.3 漸變式導流對彎頭內氣流組織的影響

圖4是3種大型彎頭中采用漸變式導流片的導流效果，對比圖3可以發現，導流片形式的改變并沒有明顯改善直角型彎頭內氣流的流動，也沒有明顯改變系統末端的風速，內斜線外直角型彎頭風管系統中，末端細小分流情況仍存在。而對于內外弧型彎頭，漸變式導流片相比單片式導流，能提高彎頭內部的氣流速度，流速為3.65～5.25 m/s，這可能是彎頭的結構和流通區域面積雙重影響后的結果。

圖4 不同彎頭漸變式導流的氣流組織效果圖

2.4 各種導流形式對彎頭內氣流組織影響的綜合分析

為進一步精確分析各種彎頭內的氣流分布速度，本文按圖5的形式在彎頭拐角位置等距布置5個點，利用軟件的report功能得到穩定狀態下不同彎頭的測點速度數據（圖6）。

圖5 彎頭內流速分布測試點分布

圖6 不同導流彎頭內部氣流速度分析

對圖6進行分析可得知，大型彎頭內氣流組織最均勻的是設置了導流片的直角型彎頭，內外弧型彎頭的導流效果次之，最差的為無導流形式的直角型彎頭。對于內外弧型的彎頭，導流片的設置能均勻最外片以內區域的氣流，但導流片的存在使高速氣流由內弧區域轉移至外弧區域，故在機電安裝工程開展時，應注意此區域的加固。

3 結語

本文針對不同種類的大型通風系統彎頭做了內部氣流組織仿真分析，得到了如下結論：

1）對于大型直角型彎頭，導流片的設置能顯著提高內部氣流的均勻性。

2）導流片的形狀對氣流整體均勻性無太大影響，故建議優先選用加工工藝更為簡捷的單片式導流片。

3）內弧外直角型彎頭相對于內斜線外直角型彎頭，由于管道系統末端沒有細小分流的現象，故整體流動均勻性更優。

4）無導流形式的各種彎頭和有導流形式的內外弧型彎頭中，存在較高速的流動區，此部分可能會導致風管頻繁振動而開裂，建議進行加固處理。