基于非充分发展流边界条件的通风空调管道流动阻力形成机理及计算方法研究

For several decades, most traditional researches on duct resistance are based on the premise of fully developed flows. However, the formation of full development needs the length of 30 to 50 times pipe diameter, which is difficult to achieve in duct system(about 30 to 50m). The resistance change caused by the un-fully developed flow is significant, and the difference can reach -50% to +300%, which is enough to cause the design calculation method to fail. Therefore, for duct with un-fully flow boundary conditions, it is one of the important problems of how to find out the method of resistance calculation on the basis of ascertaining the mechanism of flow resistance. With theoretical analysis, CFD simulation, model experiment and typical duct system measurement, it aims to: (1)reveal the flow field characteristics and the mechanism of resistance formation in the duct under the condition of un-fully developed flow. (2)obtain the normalized mathematical description of the boundary condition of the typical un-fully developed flow in the field of ventilation and air conditioning. (3)propose the mathematical calculation model of the frictional and local resistance under the condition of un-fully developed flow. (4)summarize the calculation method of resistance under the condition of un-fully developed flow.This research will promote the technology progress of the HVAC field in China.

几十年来，针对管道阻力方面的传统研究大多基于充分发展流这一前提。然而，形成充分发展流却需要30～50倍管径的直管段长度，这在通风空调管道中往往难以实现(约需30～50m)。与充分发展流相比，非充分发展流所引起的阻力变化显著，以弯头为例可达-50%至+300%，足以导致阻力计算失效。因此，针对非充分发展流边界条件的通风空调管道，如何在查明流动阻力形成机理的基础上，给出相应的阻力计算方法，是亟待解决的重要问题之一。.本项目旨在通过理论解析、CFD模拟，模型试验和典型管道系统实测：.(1)探索非充分发展边界条件下管道内流场特性及阻力形成机理；.(2)获得通风空调领域典型的非充分发展流边界条件归一化数学描述；.(3)提出非充分发展边界条件下的管道沿程、局部阻力计算模型；.(4)总结非充分发展边界条件下的阻力计算方法。.本项目将推动通风空调管道流动阻力问题的研究，为相关标准、手册的制定提供理论依据。

在通风空调领域，准确的管道阻力计算关乎建筑能耗、设备运行效率、工业生产安全等问题。在传统研究中，往往假设管道内的流动处于充分发展流条件。然而，在实际系统中更多是非充分发展流条件。本课题基于管道中普遍存在的非充分发展流动条件，通过理论分析、CFD数值模拟、全尺寸实验、机器学习预测等手段进行研究，主要包括：.①通过场协同原理，研究了弯头内部的流动状态和阻力降低机理，发明了一种新型低阻力弯头。.②针对集中排风竖井中的汇流三通，基于三通流动阻力作用机理，分析了正向减阻及逆向增阻效果，优化了局部构件的导流片形式及位置，提出了一种基于变分法的摆线型导流三通。.③引入了能量耗散评价指标对阀门的局部阻力进行描述，分析了阻力作用机理并基于能量耗散理论提出了一种新型低阻力风阀。.④通过湍流能量耗散率方程表征了局部阻力的微观描述，阐述了管道阻力产生的理论机理，提出了一种新型低阻力分流三通。.⑤分析泥沙颗粒在河流中受到的Saffman升力作用及其阻力作用机理，通过实验获得了低阻力作用条件下的流体边界函数形式Boltzmann函数曲线，提出了一种新型低阻力变径。.⑥以送风末端常见的圆形散流器为对象，研究非充分发展流条件下送风口的阻力及送风特性，给出了送风口合理的连接方式。.⑦通过分析局部配件之间相邻影响对自身阻力的影响程度，确定压力平衡模型中修正参数的取值范围，提出了一种基于多目标优化的压力平衡模型参数识别方法。.⑧针对通风系统所特有的非充分发展流动条件，提出了一种使用支持向量机与随机森林算法的智能灰箱风量调控方法。.⑨提出了一种基于阻力截断原理适用于非充分发展流边界条件的工程设计计算方法，总结了计算步骤及计算要点。.本项目期望能够有效解决通风空调系统中非充分发展流动条件下的阻力计算问题，为高效低阻管道局部构件的研发、设计提供理论依据。在该国家基金项目的资助下，项目负责人已在国际期刊发表SCI论文21篇。