数值模拟空调柔性风管弯曲工况下的压力损失

吴 喆 刘泽勤

0 引言

空调系统中常用的柔性风管以金属骨料为支承，用金属薄膜壁料缠绕加工成型［1］，具有轻便灵巧、便于施工、投资少、方便管理等优点，广泛应用于国内外工程领域。本文采用fluent软件，对圆形横截面的金属薄膜柔性风管90°弯曲段进行数值模拟，探索柔性弯管内流场和压力场的变化规律。

1 数学模型

对弯管内流场进行分析，拟采用SST k—w方程模型［2］来模拟空调柔性风管弯管部位动态压力变化特性，湍流模型可由下列方程来描述:

1)连续性方程:

2)N—S方程:

3)湍动能方程:

4)湍能耗散率方程:

其中，αk，dε分别为 k，ε 的反向有效 Prandtl数;μeff为有效粘性系数;μ为层流粘性系数;Gk为由平均速度梯度引起的湍动能生成项;Gb为由浮升力引起的湍动能生成项;C3ε为浮升力对湍流ε的影响系数。

2 数值模拟

本模拟的物理模型为90°弯曲的圆形柔性风管，数值模拟计算的具体边界条件设定为:绝对粗糙度设置为K=0.0035 m［3］;标准状态空气温度20℃;入口速度选取从2.5 m/s～5.5 m/s;入口处的湍流强度I=0.16(ReDH)－1/8;柔性风管D选取100mm，150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。

3 模拟结果分析与讨论

3.1 柔性风管弯管部分流场分析

本数值模拟云图均为气流组织从水平端口流向垂直端口。图1为250mm管径柔性风管速度与全压云图。由图1a)可以发现，速度在弯管内侧中间部分有最大值，内侧靠近壁面处的二次回流区有最小值，弯管内侧出现强烈的二次回流紊流核心靠近管壁外侧，在弯管内侧有微小漩涡。图1b)显示出流体通过弯管后出现自外向内的压力坡降，使得弯管内产生的二次涡流和主流迭加在一起，在弯管下游部分作螺旋运动，导致弯管的阻力损失加大，并且消失较慢，因而加大了弯管后面的影响长度。与周漠仁［4］的实验研究对比较为吻合，证明本研究的模拟方法有效。

图1 D=250mm柔性风管速度压力模拟图

从图1a)速度云图及图1b)全压图上可以看出，弯管处产生的二次回流对弯管上下游管段阻力损失影响范围不同。对于上游管段，仅仅影响到L=1倍～2倍管径处。而对于下游管段，直到本模拟中的管段末端6倍管径处紊流核心未恢复稳定状态，分布于靠近管壁处的外侧。李涛等［2］的研究表明，气流在弯管下游50倍管径断面处完全恢复到稳定状态。

3.2 柔性风管管径对弯头压力损失特性的影响

图2为管径分别为100mm，200mm和300mm的柔性风管在进口风速为5 m/s时的速度云图。可以看到管径变化对于柔性风管流场的影响不显著，二次回流区有轻微变化，整个流态及回流影响波及范围基本保持不变。管道内壁绝对粗糙度值固定，随管径增大，粗糙度对压力损失的影响变小，压力损失趋于稳定值。图3为不同管径下压力损失变化图，随管径增大，柔性风管90°弯管段压力损失变化幅度变小，渐渐趋于稳定值。

3.3 风速对弯管段压力损失的影响

图4显示不同入口风速下压力损失变化。可以看到，当管内风速增加时，压力损失也在增大，柔性风管90°弯管段流场基本一致。当柔性风管管径不变时，随着入口风速的增大，雷诺数在不断增加，在进入阻力平方区前，管内二次回流在增大，摩擦损失不断加大，压力损失在加大。当Re＞1.5×105以后，局阻系数趋于定值，一般认为进入阻力平方区［4］。本模拟风管的雷诺数没到阻力平方区，雷诺数变化对于柔性风管90°弯头压力损失产生影响强烈。

图2 不同管径（部分）的柔性风管速度压力模拟图

图3 不同管径影响下压力损失变化图

图4 不同入口风速下压力损失变化图

4 结语

本文通过数值模拟对空调柔性风管弯管的压力损失特性进行研究，探索柔性风管90°弯曲时的阻力损失特性，得出如下结论:

1)流场特性:流体通过柔性风管弯管后出现自外向内的压力坡降，紊流核心靠近管壁内侧，在弯管内侧出现微小漩涡。速度在弯管内侧中间部分有最大值，内侧靠近壁面处的二次回流区有最小值。弯管内侧出现强烈的二次回流。弯管对上下游影响，上游管段影响到1倍～2倍管径距离，下游影响到6倍管径以上距离;2)管径变化对于柔性风管压力损失的影响小，二次回流区有轻微变化，整个流态及回流影响波及范围基本保持不变。随着管径增大，粗糙度对压力损失的影响相对变小，压力损失趋于稳定值;3)入口风速对柔性风管90°弯曲段压力损失影响较大，随管内风速增加，压力损失增大。在气流流速没进入阻力平方区前，入口风速(雷诺数)对于柔性风管90°弯头压力损失影响强烈。

［1］ 李 春.柔性风管在通风空调中的应用［J］.福建建设科技，1998(4):35-36.

［2］ 李 涛，李安桂，周 艳.通风空调低雷诺数90°弯管阻力系数的实验与数值模拟［J］.青岛科技大学学报，2006(12):527-531.

［3］ 刘泽勤.空调系统柔性风管压力损失特性实验与分析［J］.暖通空调，2007(15):53-55.

［4］ 周漠仁.流体力学泵与风机［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，2010.