通风用圆角矩形风管的应用探讨（组图）

慧聪暖通与舒适家居网 2009-02-20 13:44 来源：慧聪空调制冷网作者：李智华连之伟郑知行

关键词：圆角风管，通风，空调

Application study on the round corner air duct

LI Zhihua,LIAN Zhiwei,ZHENG Zhixing

(TraneASDC，Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China，ZhiAo M&E EquipmentE ngineering Co.,Ltd)

Abstract:Following the ventilation technology and HVAC development,we do the research of round corner air-duct on fluid dynamic and mechanical character.The difference of round corner,rectangle and spiral air-duct on dynamic fluid,mechanic,manufacturing and application has been compared.And the result indicates that the round corner air-duct system is reasonable and applicable for the HVAC engineering application.

Key words:round corner air duct,ventilation equipment

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1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。

2.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。

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图1圆角风管与矩形风管

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首先计算水力半径：

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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。

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Dν—流速当量直径m。

矩形风管的水力半径为

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圆角风管的水力半径为

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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：

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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，

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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]

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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：

通风用圆角矩形风管的应用探讨（组图）

图2圆角半径对比摩阻的影响

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3.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：

通风用圆角矩形风管的应用探讨（组图）

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

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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。

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图4模态分析图

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4.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。

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