导流片对预制弯头内气流组织的影响

汤 毅

上海市安装工程集团有限公司 上海 200080

风管系统中，常用的弯头种类为内外弧型、内弧外直角型和内斜线外直角型等，弯头结构的不同会导致内部气流组织不同，进而影响系统的沿程阻力、能耗和噪声。对于直角型大型弯头（内弧外直角和内斜线外直角型），按照现行国家与行业规范的规定，需要设置一定数量的导流片以均匀内部气流组织。由于大型弯头内流场无法实现可视化，传统的测试方法是在安装完成后的相应位置打洞进行测试，而此方法会对弯头造成破坏，且测试空间限制、测试仪器精度和人为读数误差均会给实验结果带来影响，因此需要在前期利用数值仿真来进行相应的预测，并通过比较不同型号弯头内的导流效果来为风管弯头选型提供相应的理论依据。

本文以上海轨道交通莘庄站上盖综合机电工程为研究背景，根据相关规范和设计要求建立了风管不同弯头模型和不同导流片模型，并利用仿真技术进行导流效果比较。

1 计算仿真设置

1.1 仿真模型的设置

本次使用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）进行仿真，通过前期建模，设立内外弧、内弧外直角、内斜线外直角3种形式的弯头（图1）。在弯头的进口和出口分别设了长1 m的风管段，以便气流在管内能够得到充分发展，为后续判别导流效果创造有利条件。不同仿真模型中设置的网格数量为6×105～9×105之间。建模过程中严格按照现行国家规范GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》和GB 50738—2011《通风与空调工程施工规范》的要求设置导流片片距和弯头的弯曲半径。

图1 不同弯头导流的模型

1.2 边界条件设置

风管、弯头的管壁以及导流片定义为壁面模型，风管系统的两端定义为气流入口和出口，气流初始速度为4 m/s，具体边界条件定义如下：风管壁为wall、进风口为velocity-inlet、出风口为outflow、导流片为wall，材料性能用薄钢板的物性参数进行定义。为了仿真能顺利进行，并最大程度地贴近实际效果，引用了亚松弛技术（under relaxation）以提高计算收敛效果，同时在仿真中做以下假设和优化：

1）忽略风管、弯头、导流片壁面的粗糙度对整体气流组织的影响。

2）忽略气流中黏性力、密度和重力等对整体气流组织的影响。

3）本次研究不涉及温度对气流组织的影响，故所有温度设置为常温。

4）认为风管和弯头中的中心层面可以分析流动效果，在模型中分离高度方向的中心面做后续可视化分析研究。

1.3 主要研究内容

本次研究主要建立的模型和研究内容如下：

1）比较3种大型弯头中导流片的布置对气流流动的影响。

2）比较3种大型弯头中导流片的形状对气流流动的影响。

3）分析不同形式弯头内的局部气流速度以判别气流均匀性。

4）结合风管系统内整体均匀性和出口风速为选型提供依据。

2 仿真结果分析

2.1 无导流弯头内气流组织分析

图2是无导流片形式下3种大型弯头内气流组织分布情况，从图2中可以看出在没有导流片的情况下，大型弯头内部都存在气流分层的现象，高速的气流受弯头结构和后续流动的推力影响集中在内弧区域。其中内外弧型弯头内部气流均匀性明显优于内弧外直角和内斜线外直角型弯头，其气流速度为3.02～5.33 m/s，外直角型的2种弯头内部气流速度在1.40～4.63 m/s之间，外直角区域存在涡流区，这部分气流由于结构的特性受到极大的沿程阻力（发生90°流向改变），从而直接导致流速迅速减小，而下方的高速流动区阻碍了其向下发展，是涡流区形成的重要原因。而直角弯的设置加大了弯头中心的流动区域，故最高流速比内外弧型弯头减少0.7 m/s左右。仿真结果表明外直角弯头中流速差较内外弧型弯头大，验证了GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》中“除内外弧型弯头外，长边大于500 mm的其他弯头应设置导流片”的相关规定。

图2 不同弯头无导流的气流组织效果图

内斜线外直角型弯头在风管末端出口存在气流微小分层的现象，风管系统内的气流均匀性进一步下降。内外弧型弯头风管系统的末端平均气流流速为3.92 m/s，稍优于内弧外直型弯头（末端流速平均为3.87 m/s），而最差的为内斜线外直角型弯头（末端流速平均为3.81 m/s），这是由于弧型结构特殊的导流效果引起的。

2.2 单片式导流对弯头内气流组织的影响

图3是在3种大型弯头中，按照JGJ 141—2017《通风管道技术规程》中的推荐距离设置4片单片导流片后的气流流动效果图。对比图2，2种外直角型弯头内部的气流组织明显改善，流速为2.33～3.21 m/s，受导流片结构影响，内外弧型的高速流动区往外转移，内外弧型弯头内气流速度为3.25～4.50 m/s，其气流均匀性稍优于不设导流片的情况。而内斜线外直角型弯头其风管末端虽然存在气流分层，但相比无导流形式有所改善。

图3 不同弯头单片式导流的气流组织效果图

导流片的设置能提高直角型弯头内部的气流均匀性，缩小系统运行噪声，但也加剧了气流的沿程阻力和速度损耗，内外弧型弯头和内弧外直角型弯头所处的风管系统中，末端气流平均速度均为3.6 m/s，相比无导流的形式损失了0.27～0.32 m/s，内斜线外直角型弯头的末端速度平均为3.52 m/s左右，相比无导流的形式损失了0.29 m/s，从仿真结果来看，这些速度损失虽然可能会加大能耗，但基于弯头内流动均匀性的大幅提高和可预想的减振降噪效果，速度损耗是可以被接受的。

2.3 渐变式导流对弯头内气流组织的影响

图4是3种大型弯头中采用渐变式导流片的导流效果，对比图3可以发现，导流片形式的改变并没有明显改善直角型弯头内气流的流动，也没有明显改变系统末端的风速，内斜线外直角型弯头风管系统中，末端细小分流情况仍存在。而对于内外弧型弯头，渐变式导流片相比单片式导流，能提高弯头内部的气流速度，流速为3.65～5.25 m/s，这可能是弯头的结构和流通区域面积双重影响后的结果。

图4 不同弯头渐变式导流的气流组织效果图

2.4 各种导流形式对弯头内气流组织影响的综合分析

为进一步精确分析各种弯头内的气流分布速度，本文按图5的形式在弯头拐角位置等距布置5个点，利用软件的report功能得到稳定状态下不同弯头的测点速度数据（图6）。

图5 弯头内流速分布测试点分布

图6 不同导流弯头内部气流速度分析

对图6进行分析可得知，大型弯头内气流组织最均匀的是设置了导流片的直角型弯头，内外弧型弯头的导流效果次之，最差的为无导流形式的直角型弯头。对于内外弧型的弯头，导流片的设置能均匀最外片以内区域的气流，但导流片的存在使高速气流由内弧区域转移至外弧区域，故在机电安装工程开展时，应注意此区域的加固。

3 结语

本文针对不同种类的大型通风系统弯头做了内部气流组织仿真分析，得到了如下结论：

1）对于大型直角型弯头，导流片的设置能显著提高内部气流的均匀性。

2）导流片的形状对气流整体均匀性无太大影响，故建议优先选用加工工艺更为简捷的单片式导流片。

3）内弧外直角型弯头相对于内斜线外直角型弯头，由于管道系统末端没有细小分流的现象，故整体流动均匀性更优。

4）无导流形式的各种弯头和有导流形式的内外弧型弯头中，存在较高速的流动区，此部分可能会导致风管频繁振动而开裂，建议进行加固处理。