摘  要：提出一种新型的均匀送风管道，该装置利用了全压送风原理，提高了送风均匀性，同时降低输运能耗。利用CFD技术对风管内部流场进行全尺度三维数值模拟，对新型装置内气流、压力分布特征进行深入分析，并根据模拟结果对新型装置进行优化设计。

关键词：长风管 均匀送风 π 型风管

 

      随着城市轨道交通事业的发展，地铁车站的高效、节能、安全运行已经成为地铁车站环控系统设计面临的首要问题。由于站厅、站台属于室内广场式公共区间，环控送风普遍采用长风管。上海站厅站台纵向长度一般是150m 左右，将风管长度设置成 70m，从左右两端分别送出。

      对于长风管送风，保证送风均匀性一直是业内设计施工人员面临的主要难题。目前常见的均匀送风道形式主要有变风管截面、变出口面积、加设手动风量调节阀三种形式及其组合。以上方法，在理论计算方面都是可行的，但实践表明：由于主风管静压分布的不均匀性、风管制造产生的系统误差、调节阀产生的调节偏差，对实现均匀送风产生障碍。

      针对以上的不足国内外学者对送风均匀性进行积极研究。杨晚生、张吉光等对地铁车辆内送风管道的送风形式进行研究^[1~3]，依据静压箱原理，通过改变送风管结构实现均匀送风，但是架设多孔挡板会使风管阻力增加。钟星灿等人对送风口形式进行研究^[4]，应用测压管测压原理研制出 CJZ 风口，通过改变风口角度，截取风管内部分动压以实现均匀送风。但主风管的风速沿程变化很大，风管内气流扰动，将影响动静压分配状况，且风口阻力也很大。

      为克服以上各均匀送风管的不足之处，保证实现均匀送风，研究出新型长风管匀送、回风装置^[5]，并取得了较好的效果。本文利用 CFD 技术对长风管气流场进行了全三维数值模拟，通过对风道优化设计，更进一步实现均匀送风。

 

      在以往风管送回风设计中，主要是应用静压箱原理和静压复得法这两种方法，依靠风管内的静压将风压出风管，而实际应用中，由于管路的阻力、风管内风速不均匀性及外界环境干扰^[6]（在地铁车站主要是地铁活塞风效应、以及出入口、楼梯口空气流动的影响），而导致管内静压不足以克服外界压强，使得风管送风量小于设计值，甚至送风管产生吸风现象。长风管均匀送回风则是通过在风管内加设 π 型风管，将风管内的动压转换为静压，来实现均匀送风。

      新型送风装置是变截面全压均匀送风管，有主风管和 π 型风管组成，送风口可接散流器、单（双）层百叶风口等多种形式，风管立面结构如图1 所示，为简化内部构件以矩形代替。

      从图 1 可以看出，气流从左端流入，在整个截面分布大致均匀。将 π 型风管横截面积相对主截面调节成合适比例，即可达到额定风量。π 型管后端设计弧形截面，起到了一个引流作用，使得风管阻力达到最小，基本属于全压送风。

      图 2 是常见利用静压复得实现均匀送风的风口。常规风口流速主要决定于管内外静压差，属于静压送风。两种装置的对比可以看出，新型装置的改进有两点：一是可以对空气有一个很好的导流，在减小了气流的紊乱度、降低了局部阻力损失的同时，也更接近垂直出流。二是利用了全压差，使得均匀送风更有一定的自身“纠错”性能。

 

      课题组已经对新型送风装置若干工况进行了大量的实测验证，在此基础上此装置将首次应用于上海地铁 1 号线环控系统改造工程中。经过上海地铁公司的专家论证，决定选择送风问题较多的黄陂南路车站作为改造试点。本文将利用 CFD 手段对黄陂南路车站风管改造工程进行优化设计，对风管内气流特性做进一步研究分析。

      上海地铁 1 号线黄陂南路车站，环控空调系统设计总风量为120000m³/h。站厅层两端环控机房内各设置一台 60000 m³/h的空调箱，分别负责站厅层及站台层一侧的空调负荷，共 8 根送风管。针对此工程实例，风 管 总 长67m， 共 25 个 送 风 口 ， 以 送 风 总 量120000m³/h进行送风，长风管设计简图见下图 3，其中内部构造以矩形代替。

      选择双方程 K-ε 模型作为紊流模型^[7~8]。将连续性方程、动量方程、能量方程、K 方程、ε 方程联合求解。方程通用形式为：

式中：φ 为因变量，ρ 为密度，V为速度矢量，Γ 为扩散系数，S 为源项。

      采用 CFD 模拟软件 Fluent 对该车站长风管均匀送风系统进行模拟。利用 Gambit 建模，由于长风管均匀送风系统内π 型风管结构及送风口结构稍复杂，故对其简化，具体的 3D 模型见图 4。

      π 型风管内空间网格采用结构六面体，网格尺寸为 2cm；与 π 型风管紧邻的主风道网格采用非结构四面体，网格尺寸采用5 cm；其余部位的风道网格采用结构六面体，网格尺寸采用 5 cm。

      在主风管左侧接风机提供动力，入口边界采用速度边界条件；在每个π 型风管风口末端与大气相通，因此设为压力出口条件，压力值设为大气压力。

      计算求解采用分离式求解器，压力速度耦合采用SIMPLE算法^[9，10]，二阶迎风离散格式，标准紊流模型。各流动项残差均小于 10^-4，网格独立性经过了检验。

      将长风管均匀送风的模拟结果与测试结果进行比较，绘制送风出口风量对比曲线见图 6。分析图 6 中的数据可以看到，模拟结果与实测结果基本吻合，个别风口风量最大偏差也不超过 10%（风口编号 5）。考虑到数值模型的简化与风管加工尺寸的误差，利用CFD技术基本可以反映风管流动状态。

      对于变管径均匀送风早就有学者对其进行研究，《实用供热空调设计手册》当中有其明确的计算方法。本文按照手册的计算方法对其进行设计并模拟，与上述长风管均匀送风装置同等工况下，应用出口风量的方差作为其评价指标，对二者进行了比较，见图7。

      分析数据可以得到，设计工况下每个送风口的送风量为：0.204kg/s，新型送风管送风均匀度方差为：0.0004；而常规送风管送风均匀度方差为 0.021，由此可见新型送风管较常规送风管在送风均匀性方面有较大程度的改善。

      1）压力分析。图 8 是截取流动平稳段即模型的第6个风口的纵截面，图 8（a）、图 8（b）分别为新型均匀送风装置与常规变管径均匀送风在该截面上的静压分布图。从压力分布对比可以看出，由于 π 型风管有效利用了动压头，因此从风口送出相同的风量所需要的静压头大为降低。比如设置 π 型风管在 12m 位置处静压压头仅为32.08Pa（风口处大气压力设为零），而使用常规风口时在 12m 位置处静压压头是 45.33 Pa。同时由于 π 型风管的导流作用，减少了直流三通的阻力。12m 到 15m 处的压降从 0.72Pa 降低到 0.68Pa。

      2）速度分布。图 9 是 π 型风管附近气流速度分布图，由图中可以看出，在 π 型风管前端截面速度分布大致均匀，因此π 型风管分流系数大致等于 π 型风管入口截面与总横截面的面积比值。显然与常规风阀开度调节相比，新装置调节更有针对性，也更容易实现。图 10（a）与图 10（b）分别是新型送风口与常规送风口附近流场分布。从图中对比可以看出，设置 π 型风管利用了动压头，因此风口处z向速度分量较大，贴近右侧壁面的风速更大，造成风口截面速度分布不均匀系数较大，这在实际应用的时候需要注意，比如利用散流器等末端装置进行整流。

      采用上述模拟参数对该长风管均匀送风系统送风风机在不同频率下的多个工况的送风均匀度进行模拟。模拟采用风管送风均匀度作为评价指标。各送风口风量随风机频率变化见图 11。

      图 11 曲线分别表示风机在不同频率即不同风量下送风，各风口风量分布曲线。由图中可以看出图中曲线较为平滑，接近各送风工况下的风量设计值，并且曲线走向趋势一致，此长风管均匀送风装置能够实现均匀送风的目的。

      通过本文研究，得出以下结论：

      1）建立合适的几何模型，采用反映实际情况的边界条件，采用标准双方程湍流模型模拟地铁长风管均匀送风装置是可行的；

      2）突破传统静压送风理念，利用风管内动压采用全压送风，不仅实现了长风管的均匀送风，且风管阻力小，具有一定的节能潜力；

      3）新型全压均匀送风道与常规均匀送风道相比，具有送风均匀性好、送风阻力小、方便调节、风量变化适应范围大等显著优点。