技术文章

风道转向段

用于风洞、HVAC 系统和工业应用的高性能导流叶片解决方案

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导流叶片简介

在气流管理领域，风道转角的设计在通风、HVAC 系统和风洞的效率和功能中起着关键作用。当空气被迫急转弯时（如风道系统中经常要求的那样），它会遇到增加的水力阻力，导致更高的压力损失和湍流。这不仅会因为需要更多能量来维持气流而降低系统效率，还会因湍流施加的不均匀压力而影响风道系统的结构完整性。

这正是导流叶片（亦称转角叶片或导向叶片）发挥作用的地方（图 1）。风道转角叶片设计用于安装在转角内，允许空气以最小的阻力通过转弯，从而有效地减少压力损失并缓解湍流，而无需平滑半径弯管所需的额外空间。这使得导流叶片成为在紧凑空间内有效管理气流的理想解决方案。

Tunnel Tech 导流叶片转角段组件

图 1. Tunnel Tech 导流叶片转角段组件

与通用 HVAC 解决方案竞争的高性能导向叶片段。

克服急弯风道中提到的湍流增加、压力损失和噪声等有害现象的传统解决方案是设计径向风道弯头（图 2 和 图 4，案例 2）。这些弯头虽然在一定程度上缓解了湍流、噪声和压力损失（这在图 4，案例 1 所示的急弯中很常见），但也存在其自身的一系列问题。

图 2 左侧展示了几种传统的通风风道系统，其转弯处由带有弯曲导流器的平滑弯曲金属板制成。该图代表了 HVAC 风道中常用的几种标准变体示例，例如符合 DW144 风道标准的变体。

此类风道解决方案对于土木工程、小型企业和能源成本不是重要因素的低功率 HVAC 系统中的小型应用来说是常见且具有成本效益的。然而，对于大中型和高容量发电、冶金、透平机械、热交换器、废热回收以及必须具备水力效率和节能的现代绿色和可再生能源应用中的通风和冷却系统而言，这种设计并不是一个好的解决方案。

然而，没有必要每次需要完美优化水力网络的能耗时都构建定制的非标准风道。图 2 右侧显示了 Tunnel Tech 对角导向叶片段的一种变体，它节能、低噪声且低湍流，不仅符合 HVAC 系统的行业标准，而且还可用于大规模和大功率工业用例。图 3 显示了一个可以轻松集成对角导流叶片段的大型设施示例。

传统的由金属板制成的带分流叶片的中型 HVAC 平滑弯头，DW144 标准（左），以及用于标准风道的高性能 Tunnel Tech 导流叶片对角组件（右）

图 2. 传统的由金属板制成的带分流叶片的中型 HVAC 平滑弯头，DW144 标准（左），以及用于标准风道的高性能 Tunnel Tech 导流叶片对角组件（右）。

用于风洞、发电和工业应用的大型 Tunnel Tech 风道转向段

图 3. 用于风洞、发电和工业应用的大型 Tunnel Tech 风道转向段。

针对压降、湍流和降噪的导流叶片设计

为了比较不同的转角设计，压力损失 (ΔP) 和 CFD 模拟的流型在下方的图 4 中给出。选择 20 m/s 的入口气流速度和 2×2 m 的方形风道作为演示示例。选择 20 m/s 的速度范围用于演示目的，因为通常用于室内跳伞的专业级垂直风洞大部分时间都在旋转段流速介于 10 到 30 m/s 之间的模式下运行。CFD 计算是在 20°C、零空气湿度、1 个标准大气压下，使用可压缩气体和粗糙度为 250 µm 的绝热壁面进行的。使用了每个域 6 到 1000 万个单元的网格。在入口边界应用了平坦的入口分布和 2% 的湍流度。湍流使用 k-ε 模型处理。

注意！请注意，图 4 中显示的插图是特定示例，仅用于说明操作原理和比较几种类型的旋转转角段。这些案例不能被解释为适用于绝对所有用例的通用情况。对于每个真实的通风系统或其他水力网络，必须针对每个计算点考虑特定的水力参数、风道尺寸和形状、粗糙度和结构不规则性、流动不均匀性以及精确的物理气体参数。您可以通过联系我们为特定系统订购此类计算。

描述了以下设计案例：

  1. 无导向叶片的转角段。
  2. 带有径向弯曲导流器的平滑弯曲转角段（r = ½ 风道高度）。压降还取决于风道隔板的数量和几何形状。图中显示了具有最少数量的优化形状气流分流板的示例。
  3. 简单的径向弯曲薄板（10-20mm 厚）。
  4. 最接近竞争对手的典型未优化导流叶片。
  5. 具有优化翼型的 Tunnel Tech 导流叶片 (TTE-TV)。

带有少量简单弯曲板分离器（或根本没有导向叶片）的圆弧弯曲风道最显著的问题是转向段出口处的压力和速度分布模式（图 4，案例 2，见出口横截面）。这种模式表明，速度将从每个流动子域的外壁向内壁增加，导致流动不均匀、大湍流和噪声。转弯半径越小，流动分离、压力和速度场畸变、噪声水平和压降值的可能性就越大。

克服这些问题的唯一方法是增大此类转角段的曲率半径并增加气流导向叶片的数量。这就带来了第二个问题——容纳这种弯管所需的空间增加，以及尺寸适配风道横截面的多个径向风道隔板的材料成本。在大型风道系统中，实施平滑半径弯管会导致结构不合理地庞大，使得这种方法在许多场景中不切实际，尤其是在空间宝贵的地方。所需的额外空间由下方图 4，案例 2 中的虚线显示。必须将每个转弯的高度和宽度至少增加风道尺寸的 ½。对于循环风洞，这意味着建筑物尺寸在每个方向上增加数米，从而导致更高的风道工程成本和更高的资本投资。此外，每个分流器的成本与风道壁相同。

风道系统中的转角段 - 设计与性能比较

图 4. 风道系统中的转角段 - 设计与性能比较

风洞和工业通风的最佳解决方案是沿对角线排列的具有翼型的转向段旋转叶片，如图 4，案例 3-5 所示。

以上所有 CFD 图片均对应于入口为 2x2m、气流速度为 20 m/s 的风道转角段，作为示例，这与室内跳伞和低速亚音速风洞的使用案例最为相关。

图 4 案例 3 显示了一个由薄弯曲金属板制成的简单导向叶片的转角段。图 4 案例 4 是 TunnelTech 最接近的竞争对手提供的旋转叶片的典型例子。两者的弦长较短且翼型形状未优化，导致截面出口处出现残留的气流不均匀性、更大的空气动力阻力和风道噪声。由简单弯曲金属板制成的薄叶片通常即使在低风速下也会超过允许的噪声水平，而弦厚比低的厚短翼型选项也会具有较小的表面积，这在使用冷却导流叶片进行热传递的应用中是不希望看到的。

在图 4 案例 5 的下部，显示了配备 Tunnel Tech 高性能导流叶片（订购请参考以下零件号：TTE-TV-90）的风道转角。从横截面可以看出，在适当配置导向叶片的情况下，气流更加均匀，从而导致更小的压降和低湍流。

配备长弦叶片的 Tunnel Tech 转角段的出口空气压力/速度分布也比其他情况好得多。这造就了无与伦比的 Tunnel Tech 空气动力学质量，正如专业跳伞运动员和其他客户的众多评论所反映的那样。

上述讨论的所有数据，包括弦长和冷却选项，也可在<strong>表 1</strong> 中找到。

表 1. 图 4 中案例 1-5 的比较参数。
案例 / 叶片类型ΔP (Pa) (*)ξ (*)弦长 (mm)冷却
1. 无叶片，急转弯1140.47—无
2. 平滑弯曲转角段410.17> 2000无
3. 简单的径向弯曲薄板800.33250–500无
4. 最接近竞争对手的导流叶片880.37280有
5. Tunnel Tech 优化导流叶片570.24500有

对于采用 TunnelTech 和竞争对手叶片的风道转向段，在高达 100m/s 的速度范围内的水力损失系数值（无因初始数据选择而产生的变化）在图 5 中给出。

关于沿风道长度的水力损失、局部阻力和总水力损失系数的更多详细信息如下。

Tunnel Tech 与竞争对手转向段比较。相同几何形状和初始计算条件下的达西-魏斯巴赫水力损失系数。

图 5. Tunnel Tech 与竞争对手转向段比较。相同几何形状和初始计算条件下的达西-魏斯巴赫水力损失系数。

减轻湍流以进行可靠的水力和结构安全计算

Tunnel Tech 转角叶片段湍流尺度 (m) @ 20 m/s

图 6. Tunnel Tech 转角叶片段湍流尺度 (m) @ 20 m/s

平滑且可预测的压力/速度分布对于不可接受高湍流或流动分离的应用尤为重要，例如实验风洞、室内跳伞设施和大功率应用。这些寄生现象，以及由流动分离和大尺度湍流引起的压力脉动，在要求没有声诱发振动以及由于风道结构稳定性要求而不允许任何静压偏差的装置中也是不可接受的。此外，这些湍流通常是噪声源，进一步降低了系统的整体性能和提供给最终用户的舒适度。

还应考虑到，如果不使用特殊的整流器、蜂窝器、消湍网或其他气流管理设备，流动不规则性往往会进一步发展和加剧 [1-3]。精确的气体动力学分析需要计算下一个风道元件的阻力，同时考虑水力网络前一个元件产生的实际入口压力/速度分布。对于长水力网络，由于尺寸巨大，通常无法对整个系统进行 CFD 模拟。对于这种情况，使用涉及流体无量纲数和几何准则的近似半经验计算 [4] 或基于此类方法的软件。此外，确定风道结构稳定性的 FEA 建模通常是在施加于风道壁的稳定静压场下进行的。因此，向下游发展的严重流动不规则性也会给承重结构的安全关键调查带来误差。

近似方法通常不处理水力网络元件入口处的速度分布畸变，充其量只考虑分布是已发展还是未发展（均匀），以及边界层参数。在风洞和工业通风系统中，每个气流转向都可能导致不均匀性和强烈的气流旋流，这导致长水力网络中水力阻力计算的不确定性。因此，应尽可能避免出现大的速度分布不规则性。

从图 6 和上述演示中可以看出，采用 TunnelTech 导流叶片的转向段的参数不仅不会产生额外的流动扰动，还可以用于抑制转向段下游的旋流和不均匀性。因此，带有 TunnelTech 叶片的旋转段也可以作为有效的气流整流器，安装在轴流风机、风道扩散器、热交换器、试验段、分支或接入风道或任何其他产生湍流的物体之后。

局部阻力系数

转角的局部阻力特性可以使用著名的达西-魏斯巴赫方程计算：

ΔP = ξ · ρ · v² / 2

其中：

  • ΔP – 总压力损失（压降），单位 Pa；
  • ξ – 局部阻力（达西-魏斯巴赫）系数；
  • ρ – 流体密度 (kg/m³)；
  • V – 入口横截面的流体速度 (m/s)。

这些决定风道能源效率的参数高度依赖于导流叶片的设计。

根据 [4]，复杂水力元件的总阻力可以表示为长度摩擦阻力 ξL 和局部阻力 ξ0 之和：

ξSUM = ξL + ξ0

对于直风道，长度阻力与长度成正比，与水力直径成反比，表示为以下公式：

ξL = (L / D) · f

其中 f 是达西摩擦因子。

对于简单形状的管道（即圆形、方形、六边形），f 可以表示为仅依赖于雷诺数的非线性关系 – 参见 [4] 中的第 2 章 或 https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation

对于具有光滑壁面的简单圆管（圆形风道），在入口处具有充分发展的稳定流分布且处于湍流状态（雷诺数 Re > 4×103）时，摩擦因子 f 可以通过以下公式计算：

f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²

对于实际风道，还必须考虑粗糙度。

下方的图 7 显示了由 Nikuradze 在 [5-8] 中首次发表的针对各种相对壁面粗糙度的达西摩擦因子与雷诺数 Re 的关系图。该图也被称为穆迪图 [9] 或 Colebrook-White 相关式 [10-11]。关于光滑管道的现代研究可以在 [12] 中找到。

此图显示了对于具有不同粗糙度的圆管，f(Re) 的复杂依赖关系。对于方形和其他非圆形管道，图表将更加复杂。因此，必须考虑流态（雷诺数）、风道形状和相对壁面粗糙度。

穆迪（又名尼古拉兹）图，显示了针对各种相对粗糙度绘制的达西-魏斯巴赫摩擦因子 fD 与雷诺数 Re 的关系

图 7. 穆迪（又名尼古拉兹）图，显示了针对各种相对粗糙度绘制的达西-魏斯巴赫摩擦因子 fD 与雷诺数 Re 的关系 – 原始图表：S Beck 和 R Collins，谢菲尔德大学，根据 CC BY-SA 4.0 共享，wikimedia.org

在实际粗糙风道的情况下，仍然可以将总阻力表示为长度阻力和局部阻力之和 ξSUM = ξL + ξ0。

这种求和表示简化了风道参数的研究，因为局部阻力 ξ0 可以针对简化的元件几何形状进行计算——例如，在具有较小计算域的问题的周期性公式中或在问题的 2D 版本中。请注意图 4 中所示示例的计算域的巨大尺寸，其中截面高度为 3 米，长度为 18 米，网格收敛性在超过 1000 万个网格单元的尺寸下才开始充分显现。针对这些情况的具有周期性或 2D 条件的问题公式变体可能具有少一个数量级的网格单元数，并且针对 ΔP(v) 图的每个速度点的简化计算只需几分钟甚至几秒钟，而不是几小时。

因此，分解为两个阻力之和可以显着简化计算——可以快速确定局部阻力 ξ0，然后加上长度阻力 ξL。后者可以通过已知表格或使用基于无量纲数和风道几何参数的简化方程的近似公式快速估算。对于具有流动方向突变的水力和风道网络元件（角弯头、平滑弯头、带或不带导流叶片的不同角度弯头），类似的途径和方法在综合性的 《水力阻力手册》 [4] 的第 6-1 和 6-2 章中有所介绍。

产品亮点

Tunnel Tech 的气流导流叶片（TTE-TV 产品）处于该技术的前沿，在气流管理方面提供无与伦比的效率。我们的产品专为广泛的应用而设计，从室内跳伞设施和风洞到 HVAC 和通风系统，体现了空气动力学设计和能源效率的尖端水平。

Tunnel Tech 导流叶片法兰

风道中导流叶片段的性能

Tunnel Tech 的高性能气流导向叶片树立了动力和空气动力效率的行业标准。我们的节能导流叶片旨在最大限度地减少空气动力摩擦，确保气流顺畅并降低能耗。

TunnelTech 的导流叶片具有出色的风道局部阻力特性。使用达西-魏斯巴赫方程计算的阻力参数（如上所述）在下图中（见下方的图 8）和 导流叶片数据表中列出。

通常，对于风道尺寸未知的情况，给出的值是针对具有周期性横向边界条件的理想化元件，而不考虑沿长度方向的额外壁面阻力、粗糙度和其他局部参数的影响。在图 8 中，给出了 Tunnel Tech 叶片的理想化旋转角元件的值，该值是在具有周期性边界条件的 15 个叶片堆叠的无限周期序列近似中计算得出的。

图 8. Tunnel Tech 导流叶片局部阻力系数及相应压降。

如果 HVAC 或其他水力系统由沿流动路径通常不改变流动区域横截面形状的风道组成，则便于估算单位长度的电阻率以进行近似计算（当然，需要针对整个速度范围进行估算）：

KL = ξL / L = f / Dh

其中 Dh 是风道水力直径。KL 的值很容易从参考书中确定，如上所述。因此，通过将其乘以长度，并加上从数据表获得或独立计算的局部阻力值 ξ0，可以快速估算系统中的总压力损失。

ξSUM = KL · L + ξ0

图 4 中显示的 2×2 米方形风道的上述说明性示例，使用计算中使用的气体参数和粗糙度，其单位长度电阻率约为 K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2.1 Pa。此值适用于评估方形风道，而不考虑弯头、叶片或其他内部设备。对于空气质量沿风道行进的 21 米全长，将产生约 44 帕斯卡的压降。加上图 8 中显示的值（根据导流叶片数据表（表 A.2.1）取 20 m/s 速度时的 11 Pa），对于带有旋转叶片的实际 2×2 方形风道段，总阻力为 55 Pa。该值与图 4 案例 5 中显示的值非常吻合。

有关无需使用 CFD 方法即可计算任何形状的风道阻力的近似方法的更多信息，可以很容易地在 <a href="#references">[4]</a> 或类似文献中找到。

注意！请注意，图 4 中显示的示例仅为演示旋转叶片操作的特例，不能用于评估任意风道！图 8 适用于更广泛的背景，但是，需要考虑客户风道的具体参数。每个特定系统都需要详细分析，您可以向 Tunnel Tech 订购。为了准确计算风道水力阻力并对您的通风或风洞设备的能耗进行专家评估，请联系我们。

有关服务和研发的更多信息，也可在技术页面和服务部分找到。

用于工业冷却和加热的导流叶片

我们的产品在工业风道导流叶片中独树一帜，能够以高流速循环冷却液，从而在空气通过风道时对其进行有效的冷却或加热。这一特性为室内气候控制叶片和低阻力风道集成热交换器的使用开辟了热调节的新可能性，为我们的客户提供了满足其气流需求的多功能解决方案。

使用 HTCL（每线性米传热系数）计算方法进行评估，该方法量化了外部空气与转角叶片冷却剂之间的对数平均温差 (ΔTLMTD) 每开尔文、每米导流叶片长度的热通量（以瓦特为单位），我们的导流叶片专为在各种气流条件下有效散热而设计，保证稳定的性能和温度调节。

水冷导流叶片的传热系数参数在图 9 中给出，包括湿空气和干空气，其中 ΔP [kPa] 代表入口和出口叶片端口之间的水压差（图 10 中的蓝色和红色）。

图 10. 导流叶片冷却通道

图 9. HTCL 系数。不同冷却剂压差（水）下入口和出口冷却剂通道端口之间的干空气 (RH=0%) 和湿空气 (30 °C 时 RH=90%)。

用于余热回收的导流叶片

带有集成热交换通道的冷却导流叶片为各种应用中的废热回收提供了多功能解决方案。当集成到热交换系统中时，这些叶片可以捕获原本会损失的多余热能，将其转移到热回收系统，从而显着提高整体系统效率。

在实际应用中，该技术可用于多个领域。例如，在工业过程中，冷却导流叶片可以从废气中回收废热并将其重新定向以预热进入的流体或空气，从而降低能耗。在 HVAC 系统中，通过热回收通风器 (HRV) 和能量回收通风器 (ERV) 等设备采用类似的原理，这些设备在排气和进气流之间传递热量。此过程最大限度地减少了加热或冷却进入空气所需的能量，从而实现大量节能。

此外，冷却导流叶片可以集成到发电和可再生能源部门使用的系统中。例如，在热电联产 (CHP) 系统中，发电产生的废热被回收并用于供暖目的，从而提高了系统的整体效率。在地热能系统中，这些叶片可以帮助管理从地球提取的热能，优化传热过程。

在绿色和可再生能源计划中，废热回收在减少碳足迹和增强能源系统的可持续性方面发挥着关键作用。这种方法通过有效的热管理提高资源效率并降低运营成本，符合精益制造原则。此外，在 ESG 项目中，采用此类技术表明了最大限度地减少环境影响和优化资源利用的承诺，与更广泛的可持续发展目标保持一致。

热回收 – 相关项目

Tunnel Tech 在实施涉及热交换和使用冷却导流叶片进行废热回收的 HVAC 系统项目方面拥有丰富的经验。通过将这些叶片集成到旨在捕获和重新利用原本会损失的热能的热交换装置中，Tunnel Tech 能够更有效地从各种工业和商业过程中回收废热。这种方法不仅提高了能源效率，而且通过降低能源消耗和运营成本来支持可持续发展目标。

应用领域

我们的导流叶片服务于广泛的行业和应用

HVAC 系统

商业建筑风道优化；能源效率；降低运营成本；通过有效管理空气质量和温度增强健康与安全；
住宅综合体通过最佳的空气质量和流量确保舒适的居住环境；增强健康与安全；
数据中心热管理气流叶片维持服务器性能和寿命所需的关键温湿度水平；

土木工程通风系统

医院和医疗设施静音运行的导流叶片提供至关重要的空气质量控制，以保护患者和医护人员；通过有效管理空气质量和温度，增强健康与安全
教育机构通过改善空气循环创造有利的学习环境

环境控制

电子、生物科技、食品科技及其他高科技设施 / 洁净室调节高科技和高要求生产环境的温度和湿度；空调导向叶片为制造和研究维持严格的气流标准
体育场馆确保运动员和观众的舒适与安全

工业和特殊应用

隧道建设与维护改善隧道环境中工人的空气质量和安全性；
工业设施风道优化；能源效率；可持续发展；降低运营成本；
铸造厂和重型设施能源效率；降低运营成本；废热能量回收；脱碳和 ESG；重型 HVAC 风道；热管理；
海洋工程增强船舶和潜艇的通风系统，以提高船员舒适度和设备可靠性；
采矿和地下工程为矿场和其他地下结构提供关键通风，降低危险状况的风险；

这些应用中的每一个都极大地受益于 TunnelTech 导流叶片的先进设计和功能，标志着高效气流管理的飞跃。通过选择 TunnelTech 的低阻力空气导向叶片，客户不仅可以达到，甚至可以超越其系统性能目标，同时

  • •降低高达 30% 的能耗 *
  • •降低 60% 的噪声 *，与传统风道相比。

* – 基于 TT45Pro 风洞几何结构的实验结果。

如需咨询或了解我们的导流叶片如何根据特定需求进行定制的更多详情，请联系我们的团队。让 TunnelTech 成为您实现最佳气流管理解决方案的合作伙伴。

安装与维护

安装指南
安装指南
  • •
    尺寸和规格

    安装前验证风道尺寸和导流叶片规格

  • •
    安装选项

    提供夹钳式、螺栓连接式和焊接式配置

  • •
    吊装与搬运

    遵循负载搬运指南以确保安全运输和定位

  • •
    分步安装

    每个产品交付时均附带详细的安装说明

维护提示
维护细节
  • •
    检查时间表

    定期目视检查以确保叶片对齐和结构完整性

  • •
    清洁程序

    定期清洁以去除叶片表面的灰尘和碎屑堆积

  • •
    磨损监测

    监测腐蚀、侵蚀或机械损伤的迹象

  • •
    故障排除指南

    解决常见问题，如振动、噪声或气流效率降低

文档

TTE-TSA 产品数据表

有关 Tunnel Tech 风洞转角段组件和导流叶片参数的技术信息，可在 TTE-TSA 和 TTE-TV 产品的综合数据表中找到。该文档包含有关设计选项、水平和垂直 90 度气流转向角的局部阻力，以及用于冷却导流叶片的水力和传热参数的信息。

下载 TTE-TSA 数据表 (PDF)

参考资料和相关出版物

有关风洞、工业风道、HVAC 风道和气流管理设备、风机整流器等旋转叶片的设计和优化的更多信息，请访问以下链接：

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另请参阅：