转向导流叶片简介
在气流管理中，风道拐角的设计对通风和暖通空调系统以及风洞的效率和性能起着关键作用。当空气被迫通过急转弯时（这在风道中通常是不可避免的），它会遇到增加的水力阻力，从而导致更高的压力损失和湍流。这不仅降低了系统效率，因为需要更多的能量来维持气流，而且湍流施加的不均匀压力负载还会影响风道的结构完整性。
这就是转向导流叶片（也称为拐角叶片或导向叶片）发挥作用的地方（图1）。转向导流叶片安装在拐角内部，以最小的阻力引导空气通过转弯，在不需要平滑半径弯管所需额外空间的情况下，减少了压力损失和湍流。这使得转向导流叶片成为在紧凑空间内高效管理气流的理想解决方案。
图1. TunnelTech 转向导流叶片拐角段组件
作为通用暖通空调解决方案替代品的高性能转向导流叶片段。
减少急弯风道湍流、压力损失和噪声的传统方法是使用半径弯头（图2和图4，案例2）。虽然半径弯头确实部分缓解了急弯典型的湍流、噪声和压力损失（见图4，案例1），但它们也带来了自身的问题。
图2左侧展示了几种传统的暖通空调风道弯头，由平滑弯曲的金属薄板和弯曲的分流叶片制成。这些是暖通空调风道中常用的典型标准变体，例如符合 DW144 风道标准。
此类风道组件在土木工程、小型企业和低功率暖通空调系统等能源成本不是重要因素的小型应用中很常见且具有成本效益。然而，对于中大型、大容量应用（发电、冶金、涡轮机械、换热器、废热回收以及现代绿色和可再生能源）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，因为在这些应用中，水力效率和节能是必不可少的。
然而，并非每次需要全面优化水力管网的能耗时，都需要构建定制的非标准风道。同样的图2右侧展示了 TunnelTech 对角转向导流叶片拐角段的变体，它具有高能效、低噪声和低湍流的特点，符合暖通空调系统的行业标准，也可用于大型、高功率的工业应用。图3展示了一个可以轻松集成对角转向导流叶片段的大型设施示例。
图2. 符合 DW144 标准的带有金属薄板分流叶片的传统中型暖通空调平滑弯头（左），以及用于标准风道的高性能 TunnelTech 对角转向导流叶片组件（右）。
图3. 用于风洞、发电和工业应用的大型 TunnelTech 风道转向导流叶片拐角段。
旨在降低压降、湍流和噪声的转向导流叶片设计
为了比较不同的转向拐角设计，下方的图4给出了压降（ΔP）和CFD模拟的流场形态。选择入口气流速度为20 m/s和2×2 m的方形风道作为演示示例。选择20 m/s的风速是因为用于室内跳伞的专业级垂直风洞通常大部分时间在转向段流速介于10至30 m/s的模式下运行。CFD计算在1个标准大气压、20 °C和零空气湿度下进行，采用可压缩气体和粗糙度为250 µm的绝热壁面。每个计算域使用600万至1000万个网格单元。在入口边界应用了平坦的入口速度分布和2%的湍流。湍流模型采用k-ε模型。
注意：图4中的插图为具体示例，仅用于说明工作原理并比较几种类型的转向导流叶片拐角段。它们不能作为每个用例的通用结果。对于每个实际的通风系统或其他水力管网，必须在每个计算点考虑具体的水力参数、风道尺寸和形状、粗糙度和结构不规则性、流场不均匀性以及确切的气体物理特性。您可以通过联系我们为特定系统订购此类计算。
展示了以下设计案例：
- 无转向导流叶片的拐角段。
- 带有径向弯曲分流叶片的平滑弯曲拐角段（r = 风道高度的½）。压降还取决于分流叶片的数量和几何形状。此示例展示了采用最佳形状的最少分流板数量。
- 简单的径向弯曲薄板（厚度10–20 mm）。
- 最主要竞争对手提供的典型未优化转向导流叶片。
- 采用优化翼型的 TunnelTech 转向导流叶片 (TTE-TV)。
带有少量简单弯板分流器（或完全没有叶片）的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（图4，案例2，见出口截面）。每个子流道内的速度从外壁向内壁增加，产生不均匀的气流、严重的湍流和噪声。转弯半径越小，气流分离、压力和速度场畸变、噪声增大以及压降升高的风险就越大。
克服这些问题的唯一方法是增大拐角段的曲率半径并增加分流叶片的数量。但这带来了第二个问题——容纳此类弯管所需的额外空间，以及与风道截面尺寸相当的多个弯曲分流器的材料成本。在大型风道系统中，平滑半径弯管会导致结构过大，使得这种方法在许多情况下不切实际，尤其是在空间受限的地方。下方图4，案例2中的虚线显示了所需的额外空间。每个转弯的高度和宽度必须至少增加风道尺寸的½。对于闭式循环风洞而言，这意味着建筑尺寸在各个方向上都要增加数米，从而推高了风道成本和资本投资。此外，每个分流器的成本与风道壁本身相当。
图4. 风道中的拐角段——设计与性能比较
风洞和工业通风的最佳解决方案是对角线排列的翼型转向导流叶片叶栅，如图4中的案例3–5所示。
以上所有CFD图像均以入口尺寸为2×2 m、气流速度为20 m/s的风道拐角段为例——这是与室内跳伞和低速亚音速风洞最相关的工况。
图4，案例3展示了采用简单弯曲薄金属板制成叶片的拐角段。图4，案例4展示了 TunnelTech 最主要竞争对手提供的最佳转向导流叶片。两者的弦长较短且翼型未经过优化，导致在截面出口处出现残余的流场不均匀性，气动阻力更高，风道噪声更大。由简单弯曲薄金属板制成的薄叶片即使在低风速下通常也会超过允许的噪声水平，而弦厚比较低的短厚翼型表面积较小，这对于用于传热的冷却导流叶片来说是一个缺点。
图4，案例5的下半部分展示了安装有高性能 TunnelTech 转向导流叶片的风道拐角（订购时请参考部件号 TTE-TV-90）。正如截面图所示，采用经过合理优化的翼型叶片，气流更加均匀，这意味着压降更低且湍流更小。
与其他案例相比，配备长弦叶片的 TunnelTech 拐角段的出口压力/速度分布也明显更优。这造就了 TunnelTech 无与伦比的气动品质，众多专业跳伞运动员和其他客户的评价也印证了这一点。
上述所有数据（包括弦长和冷却选项）也汇总在表1中。
| 案例 / 叶片类型 | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | 弦长 (mm) | 冷却 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 无叶片，急转弯 | 114 | 0.47 | — | 否 |
| 2. 平滑弯曲拐角段 | 41 | 0.17 | > 2000 | 否 |
| 3. 简单的径向弯曲薄板 | 80 | 0.33 | 250–500 | 否 |
| 4. 最主要竞争对手的转向导流叶片 | 88 | 0.37 | 280 | 是 |
| 5. TunnelTech 优化的转向导流叶片 | 57 | 0.24 | 500 | 是 |
图5给出了在相同几何形状和初始条件下计算得出的，配备 TunnelTech 和竞争对手叶片的风道转向段在高达100 m/s速度范围内的水力损失系数。
有关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，请参见下文。
图5. TunnelTech 与竞争对手转向段的比较：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。
减轻湍流以实现可靠的水力和结构安全计算
图6. TunnelTech 转向导流叶片拐角段：20 m/s 时的湍流尺度 (m)
平滑、可预测的压力/速度分布在无法接受高湍流或气流分离的应用中尤为重要，例如实验风洞、室内跳伞设施和高功率装置。这些寄生效应，连同由气流分离和大规模湍流引起的压力脉动，在必须避免声致振动以及出于风道结构稳定性原因不允许出现静压偏差的装置中也是不可接受的。此外，湍流是常见的噪声源，会进一步降低整体系统性能和最终用户的舒适度。
还应记住，除非使用整流器、蜂窝整流器、整流网或其他气流调节设备[1-3]，否则流场不均匀性往往会在下游增长并加剧。准确的气动力学分析需要使用水力管网中前一个元件产生的实际入口压力/速度分布来计算每个后续风道元件的阻力。对于较长的水力管网，由于其规模庞大，通常无法对整个系统进行CFD模拟。在这种情况下，通常使用基于无量纲流动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。同样，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，下游发展的严重流场不均匀性也会给承重结构的安全关键分析引入误差。
近似方法通常不处理水力管网元件入口处速度分布的畸变；它们最多只考虑分布是充分发展还是尚未发展（均匀），以及边界层参数。在风洞和工业通风系统中，气流的每次转弯都可能导致不均匀性和强烈的旋流，这给长管网的水力阻力计算引入了不确定性。因此，只要可能，应避免出现大的速度分布不均匀性。
图6和上述结果表明，配备 TunnelTech 转向导流叶片的转向段不仅不会产生额外的气流扰动，还可用于抑制该段下游的旋流和不均匀性。因此，当安装在轴流风机、风道扩散段、换热器、测试段、风道分支或引出管，或任何其他产生湍流的元件下游时，带有 TunnelTech 叶片的转向导流叶片拐角段也可以作为有效的整流器。
局部阻力系数
转向拐角的局部阻力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），单位为 Pa；
- ξ – 局部阻力（达西-魏斯巴赫）系数；
- ρ – 流体密度（kg/m³）；
- V – 入口截面处的流体速度（m/s）。
这些决定风道能效的参数在很大程度上取决于转向导流叶片的设计。
根据[4]，复杂水力元件的总阻力可以表示为其沿程摩擦阻力 ξL 和局部阻力 ξ0 之和：
ξSUM = ξL + ξ0
对于直风道，沿程阻力与长度成正比，与水力直径成反比，其公式表示为：
ξL = (L / D) · f
其中 f 为达西摩擦系数。
对于形状简单的风道（如圆形、方形、六边形），f 可以表示为仅与雷诺数相关的非线性函数——参见文献[4]第2章或https://en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
对于具有光滑壁面、入口处流动分布充分发展且处于湍流状态（雷诺数 Re > 4×103）的简单圆管（圆形风道），其摩擦系数 f 可通过以下公式计算：
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
对于实际风道，还必须考虑壁面粗糙度。
下方的图7显示了达西摩擦系数与雷诺数 Re 在不同相对壁面粗糙度值下的关系图，该图由尼古拉兹在[5-8]中首次发表。该图也被称为穆迪图[9]或科尔布鲁克-怀特相关式[10-11]。关于光滑管道的最新研究可见于[12]。
该图显示了具有不同粗糙度值的圆管的复杂依赖关系 f(Re)。对于方形和其他非圆形风道，该图甚至更为复杂。因此，必须综合考虑流动状态（雷诺数）、风道形状和相对壁面粗糙度。
图7. 穆迪（又称尼古拉兹）图，显示了不同相对粗糙度下达西-魏斯巴赫摩擦系数 fD 与雷诺数 Re 的关系——原图：谢菲尔德大学 S. Beck 和 R. Collins，基于 CC BY-SA 4.0 共享，wikimedia.org
对于实际的粗糙风道，仍然可以将总阻力表示为沿程阻力和局部阻力之和 ξSUM = ξL + ξ0。
将阻力拆分为该总和简化了对风道参数的研究，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，在较小的计算域上采用周期性问题公式，或采用二维公式。请注意图4所示示例中计算域的大小——该截面高3 m，长18 m，只有在网格单元超过1000万个时才开始达到足够的网格收敛。相同案例的周期性或二维公式可以减少一个数量级的网格单元，并且 ΔP(v) 曲线上每个速度点的简化计算只需几分钟甚至几秒钟，而不是几个小时。
因此，将阻力分为两个分量可以大大简化计算——快速确定局部阻力 ξ0，然后加上沿程阻力 ξL。后者可以从已发布的表格中快速估算，或者通过基于无量纲数和风道几何参数的近似公式进行估算。对于流向发生突变的水力和风道管网元件（成角弯头、平滑弯管、带或不带转向导流叶片的各种角度弯管），在综合性的《水力阻力手册》 [4] 的第6-1和6-2章中介绍了类似的方法。
技术规格
用于精密工程和性能计算的综合技术数据。
集成冷却技术
革新风洞设计，我们的转向导流叶片具有集成的内部冷却剂通道——在不影响气流质量的情况下提供卓越的热交换效率。
- 巨大的散热能力，可从数百千瓦扩展到数十兆瓦。
- 高效的热管理，对气流湍流或流场质量零负面影响。
- 每个叶片设计有六个集成的内部冷却通道，以实现最大的热效率
- 与标准工业水冷基础设施无缝集成
产品亮点
TunnelTech 的气流转向导流叶片（产品 TTE-TV）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暖通空调和通风系统，体现了气动设计和能效的尖端水平。
风道中转向导流叶片段的性能
TunnelTech 的高性能转向导流叶片树立了动力和气动效率的行业标准。我们的节能转向导流叶片专为最大限度地减少气动损失而设计，确保气流平稳并降低功率消耗。
TunnelTech 转向导流叶片在风道中具有出色的局部阻力特性。使用达西-魏斯巴赫方程计算的阻力参数（如上所述）展示在下图（见图8）和转向导流叶片数据表中。
通常，在风道尺寸未知的情况下，给出的值是针对具有周期性横向边界条件的理想化元件的，而不考虑沿长度方向的额外壁面摩擦、粗糙度或其他局部参数。图8给出了带有 TunnelTech 叶片的理想化拐角元件的值，该值是针对具有周期性边界条件的15个叶片叠层计算得出的，作为无限周期叶栅的近似值。
图8. TunnelTech 转向导流叶片：局部阻力系数及相应的压降。
如果暖通空调或其他水力系统由沿流动路径流动截面基本不变的风道组成，为了便于近似计算，可以估算单位长度的阻力（当然，必须在整个速度范围内进行估算）：
KL = ξL / L = f / Dh
其中 Dh 是风道的水力直径。如上所述，KL 的值很容易从参考书中确定。将其乘以长度，再加上从数据表中获取或独立计算的局部阻力值 ξ0，即可快速估算系统中的总压力损失。
ξSUM = KL · L + ξ0
图4中的说明性示例——一个2×2 m的方形风道，采用计算中使用的气体参数和粗糙度——其单位长度阻力约为 KL = ξL / L ~ 2.1 Pa。该值适用于没有弯头、叶片或其他内部设备的普通方形风道。在空气沿风道行进的整个21 m中，这会产生约44 Pa的压降。加上图8中的值（20 m/s 时为11 Pa，取自转向导流叶片数据表，表A.2.1），对于带有转向导流叶片的实际2×2 m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。
有关在不使用CFD的情况下计算任何形状风道阻力的近似方法的更多信息，请参见[4]及类似文献。
注意：图4中的示例仅为演示转向导流叶片工作原理的特例，不能用于评估任意风道。图8的适用范围更广，但仍需考虑客户风道的具体参数。每个系统都需要详细分析，您可以向 TunnelTech 订购此项服务。如需准确计算风道水力阻力并由专家评估您的通风或风洞设备的能耗，请联系我们。
用于工业冷却和加热的转向导流叶片
在工业风道的转向导流叶片中，我们的产品独树一帜，能够以高流量循环冷却液，使空气在通过风道时得到高效冷却或加热。这为热调节开辟了新的可能性——室内气候控制叶片和低阻力管道内换热器——为客户的气流需求提供了多功能解决方案。
我们的转向导流叶片采用 HTCL（每延米传热系数）方法进行额定，该方法量化了外部空气与叶片冷却液之间每开尔文对数平均温差 (ΔTLMTD) 下每米转向导流叶片长度的热通量（以瓦特为单位），专为在各种气流条件下实现有效传热而设计，保证了稳定的性能和温度调节。
水冷转向导流叶片的传热系数参数在图9中针对干空气和湿空气进行了展示，其中 ΔP [kPa] 是叶片进出口（图10中的蓝色和红色）之间的水压差。
图10. 转向导流叶片冷却通道
图9. HTCL 系数。在冷却液通道进出口之间不同冷却液（水）压差下的干空气（RH = 0%）和湿空气（30 °C 时 RH = 90%）。
用于废热回收的转向导流叶片
带有集成换热通道的冷却转向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。将这些叶片集成到换热系统中，可以捕获原本会流失的多余热能并将其转移到热回收系统中，从而显著提高整体系统效率。
在实践中，这项技术可用于许多领域。例如，在工业过程中，冷却转向导流叶片可以从废气中回收废热，并将其用于预热进入的流体或空气，从而降低功率消耗。在暖通空调系统中，同样的原理应用于热回收通风机 (HRV) 和能量回收通风机 (ERV) 等设备中，这些设备在排风和送风气流之间传递热量。这最大限度地减少了加热或冷却进入空气所需的能量，从而实现大幅节能。
冷却转向导流叶片还可以集成到发电和可再生能源系统中。例如，在热电联产 (CHP) 厂中，发电产生的废热被回收并用于供热，从而提高系统的整体效率。在地热能系统中，这些叶片可以帮助管理从地下提取的热能，优化传热过程。
在绿色和可再生能源倡议中，废热回收在减少碳足迹和提高能源系统可持续性方面发挥着关键作用。该方法符合精益制造原则，通过有效的热管理提高资源效率并降低运营成本。此外，在ESG项目中，采用此类技术表明了对最小化环境影响和优化资源使用的承诺，符合更广泛的可持续发展目标。
热回收——相关项目
TunnelTech 在交付专为使用冷却转向导流叶片进行废热回收而设计的换热和暖通空调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再利用原本会流失的热能的换热系统中，TunnelTech 使得从广泛的工业和商业过程中更有效地回收废热成为可能。这不仅提高了能效，还通过降低功率消耗和运营成本来支持可持续发展目标。
应用领域
我们的转向导流叶片服务于广泛的行业与应用领域
暖通空调系统
| 商业建筑 | 风道优化；提升能效；降低运营成本；通过高效控制空气质量和温度，改善健康与安全 |
| 住宅小区 | 提供最佳空气质量和气流的舒适居住环境；提升健康与安全 |
| 数据中心 | 热管理转向导流叶片可维持服务器性能和使用寿命所需的关键温湿度水平 |
土木工程通风系统
| 医院与医疗保健设施 | 静音运行的转向导流叶片提供至关重要的空气质量控制，保护患者和医护人员；通过高效控制空气质量和温度，提升健康与安全水平 |
| 教育机构 | 通过改善空气循环，提供更优质的学习环境 |
环境控制
| 电子、生物技术、食品科技及其他高科技设施 / 洁净室 | 为高科技和高要求生产提供温湿度控制；空调转向导流叶片可维持制造和研发所需的严格气流标准 |
| 体育场馆 | 为运动员和观众提供舒适与安全 |
工业与特种应用
| 隧道建设与维护 | 改善隧道环境中的空气质量，保障工人安全 |
| 工业设施 | 风道优化；提升能效；促进可持续发展；降低运营成本 |
| 铸造厂与重工业设施 | 提升能效；降低运营成本；废热回收；脱碳与ESG；重型暖通空调风道；热管理 |
| 船舶工程 | 改善船舶和潜艇的通风，提升船员舒适度与设备可靠性 |
| 采矿与地下工程 | 为矿井及其他地下结构提供必要的通风，降低危险环境风险 |
上述各项应用均从 TunnelTech 转向导流叶片的先进设计与功能中显著获益，这标志着高效气流管理的一次飞跃。选择 TunnelTech 的低阻力转向导流叶片，客户不仅能实现甚至能超越其系统性能目标，同时还能
- •降低高达30%的功率消耗*
- •降低60%的噪声*（与传统风道相比）。
* TT45 PRO 风洞几何结构的实验结果。
如需咨询或了解我们的转向导流叶片如何满足您的特定需求，请联系我们的团队。让 TunnelTech 成为您实现最佳气流管理的合作伙伴。
安装与维护
- •尺寸与规格
安装前核实风道尺寸和转向导流叶片规格
- •安装选项
提供夹紧式、螺栓连接式和焊接式配置
- •负载搬运
遵循负载搬运指南以确保安全运输和定位
- •分步安装
每次产品交付均附带详细的安装说明
- •检查计划
定期目视检查以确保叶片对齐和结构完整性
- •清洁程序
定期清洁以清除叶片表面积聚的灰尘和碎屑
- •磨损监测
监测腐蚀、侵蚀或机械损坏的迹象
- •故障排除指南
解决振动、噪声或气流效率降低等常见问题
技术文档
关于 TunnelTech 风洞拐角段组件和转向导流叶片参数的技术信息，详见涵盖 TTE-TSA 和 TTE-TV 产品的综合数据表。该文档包括设计选项、水平和垂直90度转向拐角的局部阻力，以及带冷却通道的转向导流叶片的水力和传热参数。
下载 TTE-TSA 数据表 (PDF)参考文献与相关出版物
有关风洞、工业风道、暖通空调风道和气流管理设备、风机整流器等转向导流叶片设计和优化的更多信息，请访问以下链接：
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