數值模擬空調柔性風管彎曲工況下的壓力損失

吳 喆 劉澤勤

0 引言

空調系統中常用的柔性風管以金屬骨料為支承，用金屬薄膜壁料纏繞加工成型［1］，具有輕便靈巧、便于施工、投資少、方便管理等優點，廣泛應用于國內外工程領域。本文采用fluent軟件，對圓形橫截面的金屬薄膜柔性風管90°彎曲段進行數值模擬，探索柔性彎管內流場和壓力場的變化規律。

1 數學模型

對彎管內流場進行分析，擬采用SST k—w方程模型［2］來模擬空調柔性風管彎管部位動態壓力變化特性，湍流模型可由下列方程來描述:

1)連續性方程:

2)N—S方程:

3)湍動能方程:

4)湍能耗散率方程:

其中，αk，dε分別為 k，ε 的反向有效 Prandtl數;μeff為有效粘性系數;μ為層流粘性系數;Gk為由平均速度梯度引起的湍動能生成項;Gb為由浮升力引起的湍動能生成項;C3ε為浮升力對湍流ε的影響系數。

2 數值模擬

本模擬的物理模型為90°彎曲的圓形柔性風管，數值模擬計算的具體邊界條件設定為:絕對粗糙度設置為K=0.0035 m［3］;標準狀態空氣溫度20℃;入口速度選取從2.5 m/s～5.5 m/s;入口處的湍流強度I=0.16(ReDH)－1/8;柔性風管D選取100mm，150mm，200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。

3 模擬結果分析與討論

3.1 柔性風管彎管部分流場分析

本數值模擬云圖均為氣流組織從水平端口流向垂直端口。圖1為250mm管徑柔性風管速度與全壓云圖。由圖1a)可以發現，速度在彎管內側中間部分有最大值，內側靠近壁面處的二次回流區有最小值，彎管內側出現強烈的二次回流紊流核心靠近管壁外側，在彎管內側有微小漩渦。圖1b)顯示出流體通過彎管后出現自外向內的壓力坡降，使得彎管內產生的二次渦流和主流迭加在一起，在彎管下游部分作螺旋運動，導致彎管的阻力損失加大，并且消失較慢，因而加大了彎管后面的影響長度。與周漠仁［4］的實驗研究對比較為吻合，證明本研究的模擬方法有效。

圖1 D=250mm柔性風管速度壓力模擬圖

從圖1a)速度云圖及圖1b)全壓圖上可以看出，彎管處產生的二次回流對彎管上下游管段阻力損失影響范圍不同。對于上游管段，僅僅影響到L=1倍～2倍管徑處。而對于下游管段，直到本模擬中的管段末端6倍管徑處紊流核心未恢復穩定狀態，分布于靠近管壁處的外側。李濤等［2］的研究表明，氣流在彎管下游50倍管徑斷面處完全恢復到穩定狀態。

3.2 柔性風管管徑對彎頭壓力損失特性的影響

圖2為管徑分別為100mm，200mm和300mm的柔性風管在進口風速為5 m/s時的速度云圖。可以看到管徑變化對于柔性風管流場的影響不顯著，二次回流區有輕微變化，整個流態及回流影響波及范圍基本保持不變。管道內壁絕對粗糙度值固定，隨管徑增大，粗糙度對壓力損失的影響變小，壓力損失趨于穩定值。圖3為不同管徑下壓力損失變化圖，隨管徑增大，柔性風管90°彎管段壓力損失變化幅度變小，漸漸趨于穩定值。

3.3 風速對彎管段壓力損失的影響

圖4顯示不同入口風速下壓力損失變化。可以看到，當管內風速增加時，壓力損失也在增大，柔性風管90°彎管段流場基本一致。當柔性風管管徑不變時，隨著入口風速的增大，雷諾數在不斷增加，在進入阻力平方區前，管內二次回流在增大，摩擦損失不斷加大，壓力損失在加大。當Re＞1.5×105以后，局阻系數趨于定值，一般認為進入阻力平方區［4］。本模擬風管的雷諾數沒到阻力平方區，雷諾數變化對于柔性風管90°彎頭壓力損失產生影響強烈。

圖2 不同管徑（部分）的柔性風管速度壓力模擬圖

圖3 不同管徑影響下壓力損失變化圖

圖4 不同入口風速下壓力損失變化圖

4 結語

本文通過數值模擬對空調柔性風管彎管的壓力損失特性進行研究，探索柔性風管90°彎曲時的阻力損失特性，得出如下結論:

1)流場特性:流體通過柔性風管彎管后出現自外向內的壓力坡降，紊流核心靠近管壁內側，在彎管內側出現微小漩渦。速度在彎管內側中間部分有最大值，內側靠近壁面處的二次回流區有最小值。彎管內側出現強烈的二次回流。彎管對上下游影響，上游管段影響到1倍～2倍管徑距離，下游影響到6倍管徑以上距離;2)管徑變化對于柔性風管壓力損失的影響小，二次回流區有輕微變化，整個流態及回流影響波及范圍基本保持不變。隨著管徑增大，粗糙度對壓力損失的影響相對變小，壓力損失趨于穩定值;3)入口風速對柔性風管90°彎曲段壓力損失影響較大，隨管內風速增加，壓力損失增大。在氣流流速沒進入阻力平方區前，入口風速(雷諾數)對于柔性風管90°彎頭壓力損失影響強烈。

［1］ 李 春.柔性風管在通風空調中的應用［J］.福建建設科技，1998(4):35-36.

［2］ 李 濤，李安桂，周 艷.通風空調低雷諾數90°彎管阻力系數的實驗與數值模擬［J］.青島科技大學學報，2006(12):527-531.

［3］ 劉澤勤.空調系統柔性風管壓力損失特性實驗與分析［J］.暖通空調，2007(15):53-55.

［4］ 周漠仁.流體力學泵與風機［M］.第3版.北京:中國建筑工業出版社，2010.