案内羽根の紹介
気流管理の分野において、ダクトコーナーの設計は、換気、HVACシステム、および風洞の効率と機能において重要な役割を果たします。ダクトワークでしばしば要求されるように、空気が急な方向転換を強いられると、水力抵抗が増加し、圧力損失と乱流の増大につながります。これは、気流を維持するためにより多くのエネルギーを要求することでシステムの効率を損なうだけでなく、乱流によって不均一な圧力がかかるため、ダクトワークの構造的完全性にも影響を与えます。
ここで、コーナーベーンまたはガイドベーンとも呼ばれる案内羽根の出番となります(図1)。コーナー内に設置するように設計されたダクトコーナーベ ーンは、空気が最小限の抵抗で曲がり角を通過できるようにし、滑らかな半径の曲げが要求する追加スペースを必要とせずに、圧力損失を効果的に減らし、乱流を緩和します。これにより、案内羽根はコンパクトなスペースで気流を効率的に管理するための理想的なソリューションとなります。

図1. Tunnel Tech案内羽根コーナーセクションアセンブリ
一般的なHVACソリューションに匹敵する高性能ガイドベーンセクション。
急激に湾曲したダクトにおける乱流の増加、圧力損失、および騒音という前述の有害な現象を克服するための従来の解決策は、放射状のダクトエルボを設計することです(図2および図4、ケース2)。これらのエルボは、乱流、騒音、および圧力損失(図4、ケース1に見られるような急な曲がりで一般的)の緩和にはある程度効果的ですが、独自の問題を抱えています。
曲げられた整流板を備えた滑らかに湾曲した板金で作られたターンを持つ、いくつかの従来の換気ダクトワークを図2の左側に示します。この図は、DW144ダクトワーク規格に準拠するなど、HVACダクトで一般的に使用される標準バリアントのいくつかの例を表しています。
このようなダクトソリューションは、エネルギーコストが重要な要素ではない、土木工学、中小企業、および低電力HVACシステムの小規模な用途では一般的であり、費用対効果に優れています。しかし、この設計は、水力効率と省エネが不可欠である、中規模および大規模の換気および冷却システム、大容量発電、冶金、ターボ機械、熱交換器、廃熱回収、および最新のグリーンおよび再生可能エネルギー用途には適したソリューションではありません。
しかし、水力ネットワークのエネルギー消費を完璧に最適化する必要があるたびに、カスタムの非標準ダクトを構築する必要はありません。同じ図2の右側には、Tunnel Techの対角ガイドベーンセクションのバリアントが示されています。これは、HVACシステムの業界標準を満たしながら、エネルギー効率が高く、低騒音、低乱流であり、大規模および大電力の産業用ユースケースにも使用できます。対角案内羽根セクションを簡単に統合できる大規模施設の例を図3に示します。

図2. 板金製のスプリッターベーンを備えた従来の中規模HVAC用滑らかなエルボ、DW144規格(左)、および標準エアダクト用の高性能Tunnel Tech案内羽根対角アセンブリ(右)。

図3. 風洞、発電、および産業用途向けの大規模なTunnel Techエアダクトコーナーセクション。
圧力降下、乱流、および騒音低減のための案内羽根設計
さまざまなコーナー設計の比較として、圧力降下(ΔP)とCFDシミュレーションによる流れのパターンを以下の図4に示します。デモンストレーションの例として、入口風速20 m/s、2×2 mの正方形ダクトを選択しました。通常、屋内スカイダイビング用のプロ仕様の垂直風洞は、回転セクションの流速が10〜30 m/sの間で変動するモードで稼働することが多いため、デモンストレーション目的で20 m/sの速度範囲を選択しました。CFD計算は、1標準気圧、20℃、湿度ゼロの条件下で、圧縮性気体および粗さ250 µmの断熱壁を使用して実行されました。ドメインあたり600万〜1000万セルのメッシュが使用されました。入口境界にはフラットな入口プロファイルと2%の乱流が適用されました。乱流はk-εモデルを使用して処 理されました。
注意! 図4に示されている図解は特定の例であり、動作原理を説明し、いくつかのタイプのコーナーセクションを比較する目的でのみ提示されていることにご注意ください。これらのケースは、すべてのユースケースに一般的に適用できると解釈することはできません。実際の換気システムやその他の水力ネットワークでは、計算ポイントごとに、特定の水力パラメータ、ダクトのサイズと形状、粗さと構造上の不規則性、流れの不均一性、および正確な物理的ガスパラメータを考慮する必要があります。特定のシステムのこのような計算については、当社までお問い合わせのうえご注文いただけます。
以下の設計ケースについて説明します:
- ガイドベーンなしのコーナーセクション。
- 滑らかに湾曲したコーナーセクション(r = ダクト高さの½)と、放射状に曲げられた整流板。圧力降下は、ダクトスペーサーの数と形状にも依存します。最適に成形された気流スプリッタープレートの数を最小限に抑えた例を示しています。
- シンプルな放射状に湾曲した薄板(厚さ10〜20 mm)。
- 競合他社の一般的な最適化されていない案内羽根。
- 最適化されたプロファイルを持つTunnel Techの案内羽根(TTE-TV)。
少数の単純な曲げ板セパレーターを備えた(またはガイドベーンがまったくない)円形湾曲ダク トの最も重大な問題は、コーナーセクション出口での圧力および速度分布パターンです(図4、ケース2の出口断面図を参照)。このパターンは、各流れのサブドメインの外壁から内壁に向かって速度が増加し、不均一な流れ、大きな乱流、および騒音を引き起こすことを示しています。回転半径が小さいほど、流れの剥離、圧力および速度場の歪み、騒音レベル、および圧力降下値が大きくなる可能性が高くなります。
これらの問題を克服する唯一の方法は、このようなコーナーセクションの曲率半径を大きくし、気流ガイドベーンの数を増やすことです。ここで2つ目の問題が発生します。それは、このような曲げを収容するために必要なスペースの増加と、ダクトの断面サイズに合わせた複数の放射状エアダクトスペーサーの材料コストです。大規模なダクトシステムでは、滑らかな半径の曲げを実装すると構造が不当に大きくなる可能性があり、特にスペースが限られている多くのシナリオでは、このアプローチは非実用的になります。必要な追加スペースは、以下の図4、ケース2の破線で示されています。各ターンの高さと幅を、ダクトサイズの少なくとも½増やす必要があります。循環式風洞の場合、これは建物の寸法が各方向に数メートル増加することを意味し、ダクト工事コストの上昇と設備投資の増加につながります。さらに、各分流器のコストはダクト壁と同じになります。

