通风系统风道异性件优化设计探讨

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摘要：针对目前通风系统风道的异性件，根据气流的流动特性，提出了对异形件的一些优化设计方法和改进措施，以降低系统阻力。

关键词：风道；异形件；相互影响；优化设计

Abstract: according to the ventilation system of the opposite sex duct a, according to the air flow characteristics, this paper puts forward the profiled some of the optimization design method and improvement measures to reduce resistance.

Keywords: duct; Profiled; Influence each other; Optimization design

中图分类号：TD724文献标识码：A文章编号：

1气流流动的理论分析

1.1变径段--渐缩（突缩）、渐扩（突扩）

渐缩（突缩）：流体处于减压增速区，流体质点受到与主流方向一致的正压差作用，流体只能做加速运动，不会减速，因此在渐缩段的范围内不会出现涡旋区，渐缩的阻力主要是形状阻力和摩擦阻力；突缩由于形状的突变而在转角处出现涡旋，一般情况下应尽量避免选用。因此优化渐缩段的方法就是减小收缩角。需要指出的：如果渐缩后相连直段，则在直段入口处由于气流的惯性作用，会出现小涡旋，但强度不大。

渐扩（突扩）：流体处于增压减速区，流体质点受到与主流方向相反的压差作用；靠近壁面的质点由于流体粘性作用，速度较之主流中心处要小得多；在反向压差和粘性力的共同作用下，速度逐渐减小，并在处附面层分离，随后出现与主流方向相反的流动，亦即涡旋。对于渐扩管，雷诺数或扩张角愈大，涡旋区范围愈大，位置愈靠前；对于突扩，雷诺数的大小对涡旋区位置和大小的影响不明显，起决定性作用的是形状。因此，优化渐扩（突扩）段的方法主要是破坏或延迟附面层的分离，并降低它的强度和大小。

1.2弯头段

在弯头的内、外侧处会出现涡旋区：对于外侧处的涡旋区，由于在方向靠外壁处流体流速愈来愈低，加之流体自身的粘性作用，速度可能降为零，在反向压力的作用下，涡旋产生；而对于内侧处的涡旋区，由于在方向靠内壁处流体流速愈来愈大，流体由于惯性作用仍然将沿原速度方向运动，特别是在高雷诺数、转角较大及内边曲率半径较小的情况下，会出现大涡旋。应该指出的是：弯管内侧涡旋无论是强度还是大小，甚至对下游的影响段长度都比外侧要大得多，因此优化弯管段的主要手段是抑制或减小内侧涡旋的强度和大小。

1.3异形段的组合

在计算风道局部阻力时，可查阅相关设计手册计算出局部阻力损失。但是所有手册中列出的局部阻力系数都是在稳定速度场的条件下通过实验测得。我们应该考虑到前一个局部阻碍段的断面流速分布和紊流脉动强度对后一个局部阻碍段的阻力系数有明显的影响，局部阻碍段直接连接所产生的局部阻力损失可能增大，也可能减小，增大和较小的幅度取决于两个异形件的组合方式。因此，设计风道时应该重点考虑局部阻碍段间的相互影响，优化风道设计的关键就是优化异形段的组合。

2异形件组合的优化

2.1用收缩形急转弯头代替90°等截面弯头＋渐缩段组合

在风道设计中经常遇到收缩形急转弯头或90。等截面弯头＋渐缩段的组合。从前述分析可知：气流通过渐缩断面通道时处于增速减压，这样将影响弯头的内侧处由于流体的惯性作用造成的附面层分离，使涡旋的发生延迟并大大降低它的大小和强度。实验证明：收缩形急转弯头的阻力总是小于等截面弯头＋渐缩段的组合[1,2]，而且这种布置方式无论从工艺、土建的角度来说，还是从制造成本来看，都更为合理。这种收缩形急转弯头的内、外边可用相同的曲率半径，并且无需加设导流叶片（导流板）；只有在时才需考虑导流的问题。

90°等截面弯头＋渐缩段组合收缩形急转弯头示意图

2.2用90°等截面弯头＋渐扩段组合代替扩散形急转弯头

我们同样经常遇到扩散形急转弯头或90°弯头＋渐扩段的组合：需要强调的是：该组合与收缩形急转弯头的气流流动特性恰恰相反。气流通过渐扩断面通道时处于增压减速区，这样会使弯头内侧的附面层分离提前，而且在离心力和反向压差的共同作用下，涡旋的强度和大小都会大大增加。实验同样证明了在等截面弯头后接上扩散管道的做法比直接用扩散形急转弯头的阻力小[1,2]，这在风道设计时需将收缩形急转弯头与扩散形急转弯头区别对待。

2.3用45°等截面弯头＋渐扩（缓）＋45°等截面弯头组合代替90°等截面弯头＋渐扩（急）

尽管在前述中谈到用90°等截面弯头＋渐扩段组合代替扩散形急转弯头更为合理，但是这种组合方式下异形段间的相互影响仍然很大，如果能将风道布置成45°等截面弯头＋渐扩（缓）＋45°等截面弯头组合，将更有利于气流的流动。

90°弯头段＋渐扩段（急）45°弯头段＋渐扩段（缓）＋45°弯头段

上图中的左边的风道由一个长直段＋90°弯头段（R/D=1）＋渐扩段（急）＋短直段构成。分析气流流动可知：气流进入弯头后，在90°弯头内侧由于附面层的分离产生的涡旋会对主流产生向外侧的挤压，在挤压结束的断面（弯头出口处），主流还未来得及扩充到整个过流断面，就进入了渐扩区，而使主流难以再扩展开，从而造成渐扩段内的主流偏于一侧，偏向侧的涡旋在一定程度上减小了，但另一侧却出现了远远大于正常情况的大涡旋区。同时，由于弯头的转角大，其内二次流的形成比较充分，影响段的长度较长，最终使渐扩管的阻力大大增加，整段风道的阻力也随之增加。实验表明此连接方式的局部阻力为弯头和渐扩管单独布置时的2倍。

上图右边的风道由一个短直段＋45°弯头段（R/D=1.5）＋渐扩段（缓）＋45°弯头段（R/D=1.5）＋短直段构成。分析气流流动可知：气流进入45°弯头段时亦将在内侧由于附面层分离而产生涡旋，但是45°弯头对气流流向的改变和二次流的产生都远远不及90°弯头充分（），流向改变不及时、二次流产生不充分，都有益于减少能量的耗散，即阻力减小；气流进入渐扩段时，由于渐扩段的渐扩角比较小，而长度又相对较长，涡旋的发生位置靠后，45°弯头的部分损失发生在了渐扩段上，而且气流的扰动有利于渐扩段缩小涡旋区，渐扩段的阻力损失会有所减少；气流在进入第二个45°弯头时，流速分布已经趋于均匀，局部阻力间的相互影响不甚明显，整段风道的局部阻力可以看作是各异形段局部阻力之和，甚至小于。通过实验可得出：两个45°弯头直接相联时，相当于一个90°弯头；当两个45°弯头用直段连接时，阻力

3结论与建议

(1) 在计算、布置风道时，不能简单的将各个局部阻力段的阻力相加作为风机选型的依据，应充分考虑局部阻力段间的相互影响。

(2) 通过弯道装设导流板（导流叶片）来改善气流组织并降低系统阻力的方法，应使气流在进入转弯前分布趋于均匀才能发挥其作用。在未能确保弯道前气流均匀时，不应盲目加设导流板，应通过CFD（计算流体力学）模拟或模型试验论证。

(3) 用收缩形急转弯头、45°等截面弯头＋渐扩（缓）＋45°等截面弯头及加大弯头内侧曲率变径等措施都能显著改善烟气流动状况，在可能的条件下应尽量选用。

(4) 尽管目前有很多文献对异形件进行了CFD数值模拟和模型实验，但是几乎都是不考虑相互影响的前提下进行的，本文引用了一些结论作为定性分析用，还无法做定量计算。

（5）风道的设计还需考虑工艺布置的要求、土建施工的可行性等因素。

参考文献：

[1] Л.A.利赫捷尔著.火力发电厂烟风管道[M].李广泽,梁光华等译.北京:水利电力出版社,1989.8

[2] 周谟仁.流体力学泵与风机(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1994

[3] 魏润柏. 通风工程空气流动理论[M].北京:中国建筑工业出版社,1995

[4] 贺益英,赵懿珺等. 弯管局部阻力系数的试验研究[J].水利学报,2003,11：54－59

[5] 罗永虹,杨俊,潘卫明. 90°方截面弯管的湍流计算[J ].武汉大学学报(工学版),2003,36(2):

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