湯 毅

上海市安裝工程集團(tuán)有限公司 上海 200080

風(fēng)管系統(tǒng)中，常用的彎頭種類為內(nèi)外弧型、內(nèi)弧外直角型和內(nèi)斜線外直角型等，彎頭結(jié)構(gòu)的不同會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部氣流組織不同，進(jìn)而影響系統(tǒng)的沿程阻力、能耗和噪聲。對(duì)于直角型大型彎頭（內(nèi)弧外直角和內(nèi)斜線外直角型），按照現(xiàn)行國(guó)家與行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，需要設(shè)置一定數(shù)量的導(dǎo)流片以均勻內(nèi)部氣流組織。由于大型彎頭內(nèi)流場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)可視化，傳統(tǒng)的測(cè)試方法是在安裝完成后的相應(yīng)位置打洞進(jìn)行測(cè)試，而此方法會(huì)對(duì)彎頭造成破壞，且測(cè)試空間限制、測(cè)試儀器精度和人為讀數(shù)誤差均會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)影響，因此需要在前期利用數(shù)值仿真來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)，并通過(guò)比較不同型號(hào)彎頭內(nèi)的導(dǎo)流效果來(lái)為風(fēng)管彎頭選型提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

本文以上海軌道交通莘莊站上蓋綜合機(jī)電工程為研究背景，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求建立了風(fēng)管不同彎頭模型和不同導(dǎo)流片模型，并利用仿真技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)流效果比較。

1 計(jì)算仿真設(shè)置

1.1 仿真模型的設(shè)置

本次使用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）進(jìn)行仿真，通過(guò)前期建模，設(shè)立內(nèi)外弧、內(nèi)弧外直角、內(nèi)斜線外直角3種形式的彎頭（圖1）。在彎頭的進(jìn)口和出口分別設(shè)了長(zhǎng)1 m的風(fēng)管段，以便氣流在管內(nèi)能夠得到充分發(fā)展，為后續(xù)判別導(dǎo)流效果創(chuàng)造有利條件。不同仿真模型中設(shè)置的網(wǎng)格數(shù)量為6×105～9×105之間。建模過(guò)程中嚴(yán)格按照現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范GB 50243—2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》和GB 50738—2011《通風(fēng)與空調(diào)工程施工規(guī)范》的要求設(shè)置導(dǎo)流片片距和彎頭的彎曲半徑。

圖1 不同彎頭導(dǎo)流的模型

1.2 邊界條件設(shè)置

風(fēng)管、彎頭的管壁以及導(dǎo)流片定義為壁面模型，風(fēng)管系統(tǒng)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(fēng)管壁為wall、進(jìn)風(fēng)口為velocity-inlet、出風(fēng)口為outflow、導(dǎo)流片為wall，材料性能用薄鋼板的物性參數(shù)進(jìn)行定義。為了仿真能順利進(jìn)行，并最大程度地貼近實(shí)際效果，引用了亞松弛技術(shù)（under relaxation）以提高計(jì)算收斂效果，同時(shí)在仿真中做以下假設(shè)和優(yōu)化：

1）忽略風(fēng)管、彎頭、導(dǎo)流片壁面的粗糙度對(duì)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(duì)整體氣流組織的影響。

3）本次研究不涉及溫度對(duì)氣流組織的影響，故所有溫度設(shè)置為常溫。

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

1.3 主要研究?jī)?nèi)容

本次研究主要建立的模型和研究?jī)?nèi)容如下：

1）比較3種大型彎頭中導(dǎo)流片的布置對(duì)氣流流動(dòng)的影響。

2）比較3種大型彎頭中導(dǎo)流片的形狀對(duì)氣流流動(dòng)的影響。

3）分析不同形式彎頭內(nèi)的局部氣流速度以判別氣流均勻性。

4）結(jié)合風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)整體均勻性和出口風(fēng)速為選型提供依據(jù)。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 無(wú)導(dǎo)流彎頭內(nèi)氣流組織分析

圖2是無(wú)導(dǎo)流片形式下3種大型彎頭內(nèi)氣流組織分布情況，從圖2中可以看出在沒(méi)有導(dǎo)流片的情況下，大型彎頭內(nèi)部都存在氣流分層的現(xiàn)象，高速的氣流受彎頭結(jié)構(gòu)和后續(xù)流動(dòng)的推力影響集中在內(nèi)弧區(qū)域。其中內(nèi)外弧型彎頭內(nèi)部氣流均勻性明顯優(yōu)于內(nèi)弧外直角和內(nèi)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(nèi)部氣流速度在1.40～4.63 m/s之間，外直角區(qū)域存在渦流區(qū)，這部分氣流由于結(jié)構(gòu)的特性受到極大的沿程阻力（發(fā)生90°流向改變），從而直接導(dǎo)致流速迅速減小，而下方的高速流動(dòng)區(qū)阻礙了其向下發(fā)展，是渦流區(qū)形成的重要原因。而直角彎的設(shè)置加大了彎頭中心的流動(dòng)區(qū)域，故最高流速比內(nèi)外弧型彎頭減少0.7 m/s左右。仿真結(jié)果表明外直角彎頭中流速差較內(nèi)外弧型彎頭大，驗(yàn)證了GB 50243—2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中“除內(nèi)外弧型彎頭外，長(zhǎng)邊大于500 mm的其他彎頭應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流片”的相關(guān)規(guī)定。

圖2 不同彎頭無(wú)導(dǎo)流的氣流組織效果圖

內(nèi)斜線外直角型彎頭在風(fēng)管末端出口存在氣流微小分層的現(xiàn)象，風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)的氣流均勻性進(jìn)一步下降。內(nèi)外弧型彎頭風(fēng)管系統(tǒng)的末端平均氣流流速為3.92 m/s，稍優(yōu)于內(nèi)弧外直型彎頭（末端流速平均為3.87 m/s），而最差的為內(nèi)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(jié)構(gòu)特殊的導(dǎo)流效果引起的。

2.2 單片式導(dǎo)流對(duì)彎頭內(nèi)氣流組織的影響

圖3是在3種大型彎頭中，按照J(rèn)GJ 141—2017《通風(fēng)管道技術(shù)規(guī)程》中的推薦距離設(shè)置4片單片導(dǎo)流片后的氣流流動(dòng)效果圖。對(duì)比圖2，2種外直角型彎頭內(nèi)部的氣流組織明顯改善，流速為2.33～3.21 m/s，受導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)影響，內(nèi)外弧型的高速流動(dòng)區(qū)往外轉(zhuǎn)移，內(nèi)外弧型彎頭內(nèi)氣流速度為3.25～4.50 m/s，其氣流均勻性稍優(yōu)于不設(shè)導(dǎo)流片的情況。而內(nèi)斜線外直角型彎頭其風(fēng)管末端雖然存在氣流分層，但相比無(wú)導(dǎo)流形式有所改善。

圖3 不同彎頭單片式導(dǎo)流的氣流組織效果圖

導(dǎo)流片的設(shè)置能提高直角型彎頭內(nèi)部的氣流均勻性，縮小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，但也加劇了氣流的沿程阻力和速度損耗，內(nèi)外弧型彎頭和內(nèi)弧外直角型彎頭所處的風(fēng)管系統(tǒng)中，末端氣流平均速度均為3.6 m/s，相比無(wú)導(dǎo)流的形式損失了0.27～0.32 m/s，內(nèi)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(wú)導(dǎo)流的形式損失了0.29 m/s，從仿真結(jié)果來(lái)看，這些速度損失雖然可能會(huì)加大能耗，但基于彎頭內(nèi)流動(dòng)均勻性的大幅提高和可預(yù)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(dǎo)流對(duì)彎頭內(nèi)氣流組織的影響

圖4是3種大型彎頭中采用漸變式導(dǎo)流片的導(dǎo)流效果，對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流片形式的改變并沒(méi)有明顯改善直角型彎頭內(nèi)氣流的流動(dòng)，也沒(méi)有明顯改變系統(tǒng)末端的風(fēng)速，內(nèi)斜線外直角型彎頭風(fēng)管系統(tǒng)中，末端細(xì)小分流情況仍存在。而對(duì)于內(nèi)外弧型彎頭，漸變式導(dǎo)流片相比單片式導(dǎo)流，能提高彎頭內(nèi)部的氣流速度，流速為3.65～5.25 m/s，這可能是彎頭的結(jié)構(gòu)和流通區(qū)域面積雙重影響后的結(jié)果。

圖4 不同彎頭漸變式導(dǎo)流的氣流組織效果圖

2.4 各種導(dǎo)流形式對(duì)彎頭內(nèi)氣流組織影響的綜合分析

為進(jìn)一步精確分析各種彎頭內(nèi)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(gè)點(diǎn)，利用軟件的report功能得到穩(wěn)定狀態(tài)下不同彎頭的測(cè)點(diǎn)速度數(shù)據(jù)（圖6）。

圖5 彎頭內(nèi)流速分布測(cè)試點(diǎn)分布

圖6 不同導(dǎo)流彎頭內(nèi)部氣流速度分析

對(duì)圖6進(jìn)行分析可得知，大型彎頭內(nèi)氣流組織最均勻的是設(shè)置了導(dǎo)流片的直角型彎頭，內(nèi)外弧型彎頭的導(dǎo)流效果次之，最差的為無(wú)導(dǎo)流形式的直角型彎頭。對(duì)于內(nèi)外弧型的彎頭，導(dǎo)流片的設(shè)置能均勻最外片以內(nèi)區(qū)域的氣流，但導(dǎo)流片的存在使高速氣流由內(nèi)弧區(qū)域轉(zhuǎn)移至外弧區(qū)域，故在機(jī)電安裝工程開(kāi)展時(shí)，應(yīng)注意此區(qū)域的加固。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)不同種類的大型通風(fēng)系統(tǒng)彎頭做了內(nèi)部氣流組織仿真分析，得到了如下結(jié)論：

1）對(duì)于大型直角型彎頭，導(dǎo)流片的設(shè)置能顯著提高內(nèi)部氣流的均勻性。

2）導(dǎo)流片的形狀對(duì)氣流整體均勻性無(wú)太大影響，故建議優(yōu)先選用加工工藝更為簡(jiǎn)捷的單片式導(dǎo)流片。

3）內(nèi)弧外直角型彎頭相對(duì)于內(nèi)斜線外直角型彎頭，由于管道系統(tǒng)末端沒(méi)有細(xì)小分流的現(xiàn)象，故整體流動(dòng)均勻性更優(yōu)。

4）無(wú)導(dǎo)流形式的各種彎頭和有導(dǎo)流形式的內(nèi)外弧型彎頭中，存在較高速的流動(dòng)區(qū)，此部分可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)管頻繁振動(dòng)而開(kāi)裂，建議進(jìn)行加固處理。