一  引言

    随着技术进步,人们对暖通空调工程品质及节能要求相应提高,现有的矩形风管及螺旋圆风管大量使用,满足了通风空调及除尘输送的功能要求。但是随着时间的推移,人们对通风管道的洁净要求和设备材料的节约要求也逐步提高。这就要求在现有的技术上进行不断的进步,采用更加节省材料,健康的可持续发展的策略进行设备的设计开发与制造。

    各种形式的风管各有优缺点和适用场合,本文针对矩形风管应用的场合,提出圆角风管的概念。圆角风管来源于对矩形风管和圆形风管的最优化改进。克服圆形风管所需较大空间高度要求,螺旋风管较为耗材料及受空间限制,以及矩形风管的流体动力缺点,达到最大利用有限截面空间,节省材料消耗,减少积灰,易于清洁的目的。 

二  阻力特性分析

    通常在工程上采用流速量当量法计算较多,为便于计算和理解,在这里我们采用流速当量直径计算圆角风管的摩阻特性。
    图1 圆角风管与矩形风管

    首先计算水力半径:

  

    Rs—风管的水力半径,m;

    f—风管横断面,m2

    U—湿周长,在这里也就是风管横断面的周长,m。

 

    Dν—流速当量直径m。

    矩形风管的水力半径为

  

    圆角风管的水力半径为

  

    A—为长边长,m;

    B—为短边长,m;

    Ry—为圆角半径,m。 

    根据最优化的方法,寻找一个合理的Ry值,可以使得圆角风管与矩形风管在宽度和高度一样,空气流量相同的情况下,有相同的比摩阻。比摩阻使用流体力学中的公式计算:

   

    式中R—比摩阻,[Pa/m];

    λ—摩擦阻力系数,无因次;

    υ—风管内空气的平均速度,[m/s];

    ρ—风管内空气的密度,[kg/m3];

    计算λ的公式很多,这里采用一个适用范围较大的公式,

  

    式中ε—风管内壁粗糙度,[m];

    Re—雷诺数,无因次。

    当雷诺数Re大于1000D/ε时,建议用公式[3]

  

    进行修正。

    随着圆角半径的增加,比摩阻会有一个最低点,然后再增加,这样我们可以找到一个等同于矩形风管比摩阻的圆角半径,使得矩形风管与圆角风管的比摩阻相同。在此为更清晰的作比较,取规格为1000mm*600mm的矩形风管,作图说明比摩阻随圆角大小变化,如图所示:

    图2 圆角半径对比摩阻的影响

三 CFD与FEA的模拟分析

    对于圆角风管的流场分布和结构性能,借助于软件的计算会有更直观的理解。在这里我们利用专业的流体软件Fluent6.0进行圆角风管的流场分析,利用Autodesk公司的Inventor软件进行了力学分析,并且对传统的矩形风管也作了分析用以比较其优劣。限于版面,下面只给出分析的结果。

    3.1CFD的计算与分析

    本文作了矩形风管,圆角风管及圆形风管的计算流体动力学分析。假定风量为10800[m3/h],矩形风管规格为1000*600[mm],圆角风管宽高等同矩形风管,圆角半径为150[mm],圆形风管直径为850[mm],空气状态参数取标准工况下的数值温度=20[℃],空气密度1.2[kg/M3],运动黏度v=15.06E-6[m2/s],管壁粗糙度ε=0.15[mm],风管表面粗糙度取0.00015[m]。分析结果如图3所示:


    图3 矩形风管, 圆角风管与圆形风管截面的流场速度分布图

    CFD分析示意图中红色表示风速最高值,蓝色表示最低值。计算结果显示矩形风管的最高风速为5.32[m/s],在四个角落,风速最低,黄绿色部分约为1[m/s];圆角风管的最高风速为5.29[m/s],由于不存在四个直角,所以风速分布较为均匀,即使在角落也和直线段有一样的速度梯度;圆形风管的流场结果最好,最高风速为5.05[m/s],因为是均匀的圆,在计算中重力对气流的影响忽略不计,所以整个流场的分布非常均匀。在送风过程中,气流含有杂质,会在速度较低的时候沉降,而对于矩形风管,因其存在四个风速很低,速度梯度也低的角落,所以容易积灰。圆角风管克服了这一缺点,圆角风管的流体力学特性与圆形风管接近,具有类似于圆形风管的优点。

    3.2FEA的计算与分析

    由于镀锌薄钢板的规格在实际应用中有较多变化,在此计算中取薄不锈钢板进行有限元分析,以取得较为一致的结果和通用性。薄不锈钢板的物性如下:弹性模量=2.067*105[MPa],泊松比=0.27,密度=7.75*103[kg/m3],屈服强度=689MPa,破坏强度=861.25MPa。根据国标GB50243—2002《通风与空调工程施工质量验收规范》,对1000*600mm规格的矩形风管和圆角风管同样取厚度为0.75mm,静压取1500Pa,以法兰边线为固定参考物,进行力学分析。在前期处理时,对3D模型作了简化,移掉共板法兰边和咬口,但保留加强筋,将其当作整块连续的薄钢板进行分析。

    3.2.1模态分析

    模态分析是对风管的频率特性进行的模拟计算,如图4所示,它可协助通风空调系统设计时避免噪声与振动的产生。在此对矩形与圆角风管的模态分析可以得出,在同等规格下,圆角风管的谐振频率比矩形风管要高,圆角风管的整体刚性要比矩形风管大。矩形风管四个面较圆角风管大,圆角风管的圆角边占去一部分平面面积,所以对于易于产生振动的平面相当于加强了约束。可供设计时与通风系统的送风机频率等综合考虑。

    图4 模态分析图

四  在工程应用

    在工程应用中,圆角风管与矩形风管,圆形风管及螺旋风管比较,具有一定的优势。下面从材料消耗与制造工艺上对圆角风管与矩形风管、螺旋圆形风管作比较。

    4.1材料消耗

    这里我们先对矩形风管和螺旋圆形风管的耗材做比较。在同样的送风量下,建筑层高有较大空间,仍假定矩形风管的宽高为1000*600mm,需要螺旋圆形风管的规格为Φ885mm。此时,矩形风管的材料消耗为(3.2+0.056)m2/m;螺旋圆形风管的材料消耗为(2.78*1.22)m2/m,其中咬口所耗的材料占22%。国标GB50243—2002《通风与空调工程施工质量验收规范》上明确说明,螺旋圆形风管的钢板厚度可适当减小10~15%。因此矩形管采用0.75mm,螺旋圆形风管采用0.7mm厚度的薄钢板,最后所得的结果显示,螺旋圆形风管在材料消耗上比矩形风管节省2.7%。而螺旋圆形风管在支吊架部分可比矩形风管节省材料。由2.2小节中的计算可知,圆角风管比矩形风管节省薄钢板材料为8%,虽然其比值将随矩形风管的宽高比不同而有所变化,但总体来说有7%的节省。从这一意义上讲,圆角风管将比螺旋圆形风管还节省3.3%的材料。对螺旋扁圆风管,中间的平面部分与矩形风管相类似,国标规定在支吊架上故对其的加固也应执行与矩形风管相同的规定。因此在材料的消耗上,比螺旋圆形风管要多。相比之下,圆角风管比螺旋扁圆风管所耗的材料省。

    4.2制造工艺

    圆角风管在目前成熟的矩形风管机械加工技术上做较小的改动,即可实现圆角的加工。而螺旋扁圆风管是在螺旋圆形风管的工艺基础上进行定型加工而成,工艺较为复杂。圆角风管的样品如图5所示。

    图5 圆角风管机械加工样品

五  结论

    通过以上风管阻力计算,力学分析与制造上的一些探讨,我们可以得出结论如下:

    1)在阻力特性上,圆角风管可以与传统矩形风管完全等同,并在管件部分留有一定裕量;

    2)圆角风管比矩形风管提高了四个直角的风速,不易沉降灰尘,易于清洁;

    3)圆角风管耐压及牢固性比同等规格矩形风管要高;

    4)圆角风管比矩形风管节省材料,且可节省建筑层高;

    5)现有制造工艺做较小改动即可进入圆角风管的产业化生产,且有其独特的优点,可以得到较大的经济效益回报。