《BUILDING AND ENVIRONMENT》：A novel low-resistance cylindrical annular vent plenum chamber with uniform outflow designed via three-dimensional flow topology optimization
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末端装置是暖通空调（Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC）系统的关键组成部分，构成室内人员与HVAC系统之间的最终界面。该类装置的出口空气分布直接影响建筑能耗与人员热舒适性。作为旨在降低阻力与均衡流动
末端装置是暖通空调（Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC）系统的关键组成部分，构成室内人员与HVAC系统之间的最终界面。该类装置的出口空气分布直接影响建筑能耗与人员热舒适性。作为旨在降低阻力与均衡流动的典型末端装置，设计不良的圆柱环形通风（Cylindrical Annular Vent, CAV）静压箱会导致显著的压力损失与非均匀的出口气流分布。在本研究中，研究人员建立了三维混合水平集与密度法的流动拓扑优化框架，并提出了一种新的无量纲复合目标函数，以同时优化平行于壁面方向的出口速度分量均匀性与压降。拓扑优化几何构型通过稳态流场求解、伴随分析（adjoint analysis）与几何演化的耦合迭代生成。结果表明，与传统CAV（Traditional CAV, TRCAV）静压箱相比，拓扑优化CAV（Topology-Optimized CAV, TOCAV）静压箱显著改善了内部流动组织，抑制了回流与能量耗散，并获得了更为均匀的出口速度分布。在3–8 m/s的测试入口速度范围内，TOCAV静压箱的出口速度变异系数（Coefficient of Variation, CV）降低高达93.4%，局部阻力降低率达到66.7%–68.4%。所提出的方法为设计高效低阻力末端装置提供了新策略，并展示了三维湍流流动拓扑优化在实际HVAC应用中的潜力。
## 研究背景与问题提出
暖通空调（Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC）系统通过调节室内温度、湿度和气流分布来维持可接受的室内空气品质与舒适室内环境。建筑占全球能源需求的36%，而HVAC系统占建筑总能耗的30%–50%。提高HVAC系统能效的同时保证室内空气品质对于建筑节能至关重要。末端装置作为HVAC系统与室内人员之间的最终界面，其出口空气分布直接影响系统性能与室内热舒适性。除降低阻力以减少系统能耗外，末端装置必须提供稳定均匀的气流以改善空气分布与通风性能。因此，建立涉及阻力降低与流动均匀性提升的末端装置协调优化框架对于提高HVAC系统能效至关重要。
通风静压箱作为典型的末端装置，将动压转换为静压，重新分配气流并提高出口流动均匀性。设计不当的通风静压箱可能导致显著的压力损失和不良的气流均匀性。现有研究主要从调整几何参数（如宽高比、导流叶片、内部挡板和多腔结构）以及多孔板参数（如厚度、开孔尺寸和开孔间距）等角度优化静压箱，但这些研究大多基于现有结构原型，通过尺寸调整、内部构件增减或参数预测来实现性能改进，属于给定构型下的尺寸或形状优化。试错法、控制变量分析和正交实验设计等方法本质上是以先验知识驱动的数值模拟和试错搜索过程，结果不可避免地受到设计者先验经验的约束，且精度强烈依赖于设计案例的数量。当问题从单目标扩展到多目标时，设计参数之间的非线性耦合日益显著，传统基于有限样本的试错方法无法充分捕捉多目标之间的相互作用，可能导致次优解。
此外，现有研究对静压箱出口速度的优化通常采用整体速度均匀性作为主要评价标准，但这与CAV静压箱的要求存在显著差异。对于环形缝隙通风口，关键在于平行于壁面方向的出口速度分量的轴向均匀性，该分量决定了气流沿壁面发展时的初始动量分布。更为均匀的平行速度分量有助于降低横向速度梯度，抑制局部高速射流和回流，从而提高壁面附后续二次流的稳定性。
## 研究开展与核心结论
为应对上述挑战，本研究提出了一种新型CAV静压箱设计，并建立了三维混合水平集与密度法的湍流多目标流动拓扑优化框架。该研究以平行于壁面方向的出口速度分量均匀性和压降为综合优化目标，利用流动拓扑优化方法重构静压箱内部空间结构和流路布局，从而提高送风均匀性并降低局部阻力损失。优化结果通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟和全尺寸实验进行验证，为高效低阻力通风末端装置的设计提供了新方法和新思路，具有重要的工程应用价值。该论文发表于国际期刊《BUILDING AND ENVIRONMENT》。
## 关键技术方法
本研究采用的技术方法主要包括：（1）三维混合水平集与密度法的材料表征方法，在预设设计域内重新定义流体域与固体域的分布。水平集函数用于描述设计边界的空间演化，密度场用于区分设计域内的流体和固体材料，通过引入Brinkman惩罚项和湍流正则化方法保证优化过程的数值稳定性；（2）基于三维稳态雷诺平均Navier-Stokes（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）方程与k-ε湍流模型的数值模拟方法，采用有限体积法（Finite Volume Method, FVM）进行空间离散，求解内部流场。通过无速度滑移边界条件的验证确认了求解收敛性；（3）双目标复合无量纲目标函数构建与权重因子调控方法，采用加权求和策略将出口速度变异系数和无量纲压降整合为单一目标函数，通过调整权重因子m实现优化目标的灵活调控；（4）伴随灵敏度分析驱动的拓扑演化方法，基于连续伴随方程推导目标函数对设计变量的灵敏度，驱动水平集界面的几何演化与密度场的空间重构；（5）全尺寸实验验证方法，采用激光切割加工制作拓扑优化的TOCAV和TRCAV静压箱原型，搭建风洞实验平台进行出口速度测量，通过热线风速仪与热敏电阻传感器进行高精度数据采集，并与CFD模拟结果对比。
## 研究结果
### 权重因子m的影响
为考察权重因子对优化结果的影响，研究人员在不同m值条件下开展了对比计算。结果显示，m值影响目标函数的收敛路径和最终拓扑形态特征。随着m增大，压降优化的权重增加，优化结果更倾向于降低阻力，出口速度均匀性的提升相对受限；反之，较小的m值使优化更侧重于流动均匀性。该部分分析为后续选择合适的权重因子提供了依据，确定了兼顾阻力降低与流动均匀性的参数范围。
### TOCAV与TRCAV流动特性对比
通过CFD模拟对比分析，TOCAV静压箱显著优于TRCAV。TOCAV通过内部流动拓扑的重构，形成了优化的流路引导结构，使入口高速气流能够平稳扩散并均匀分配至整个环形出口截面。传统TRCAV存在明显的局部高速区和低速回流区，而TOCAV有效抑制了这些不良流动现象。在3–8 m/s的入口速度范围内，TOCAV的出口速度变异系数较TRCAV降低高达93.4%，局部阻力降低率达到66.7%–68.4%。这一显著提升归因于TOCAV内部优化的导流结构，使能量耗散更为合理，流动分离和回流现象得到有效控制。
### 优化结构几何特征分析
TOCAV呈现出复杂而有序的三维内部结构，包括多层次的导流肋片和渐扩的流道截面。这些几何特征并非基于经验预设，而是由拓扑优化算法根据流动特性自动生成。水平集方法保证了边界的清晰光滑，密度场方法实现了材料分布的连续过渡，二者的混合应用兼顾了几何表达能力和数值计算稳定性。优化结构的特征尺寸与入口流动参数和出口约束条件密切相关，体现了流动自适应性设计思想。
### 全尺寸实验验证
研究人员采用激光切割加工技术制作了TOCAV和TRCAV的全尺寸实验样机，在专门搭建的风洞实验平台上开展了系统的对比实验。实验采用热线风速仪和热敏电阻传感器对出口截面进行逐点速度测量，并获得了与CFD模拟高度一致的结果。实验验证了数值模拟的可靠性，确认了TOCAV在实际工况下的优异性能。实验测得的出口速度分布与CFD预测吻合良好，定量指标的变化趋势和相对改善幅度与模拟结果一致。
## 讨论与结论
本研究提出的三维湍流流动拓扑优化方法突破了传统参数化设计的局限，实现了CAV静压箱整体结构和内部流路的系统性重构。与传统的尺寸和形状优化相比，拓扑优化提供了更大的设计自由度和更优的优化性能，能够以较少的先验依赖生成创新的构型方案。该方法同时处理了流动均匀性和阻力降低这两个强耦合目标，通过复合目标函数和权重因子调控实现了多目标权衡。
研究中强调的关键认识在于：对于CAV这类环形缝隙通风装置，平行于壁面方向的出口速度分量均匀性比整体速度均匀性更为关键，这一定性认识的定量化为优化目标的设定提供了理论基础。此外，三维湍流效应的准确捕捉是获得可靠优化结果的前提，简化模型可能导致设计偏差。
三维湍流流动拓扑优化在实际工程中具有广阔的应用前景。当前计算条件的快速发展使得处理大规模三维优化问题成为可能，但计算资源需求仍是制约其广泛应用的因素之一。未来研究可进一步探索更高效的优化算法、更精细的湍流模型以及多物理场耦合优化问题。
### 研究结论
在本研究中，研究人员提出了基于三维湍流流动拓扑优化方法的低阻力高均匀性CAV静压箱设计方法。与主要依赖参数调整和试错设计的传统研究不同，本工作聚焦于静压箱整体结构和内部流动路径布局的系统重构。研究建立了三维双目标流动拓扑优化框架，并通过CFD模拟和全尺寸实验进行了验证。结果表明，所提出的TOCAV静压箱在出口流动均匀性和局部阻力降低方面实现了显著改善，为高效低阻力通风末端装置的设计提供了新的途径和方法论支撑，展示了三维湍流流动拓扑优化在实际HVAC应用中的巨大潜力。
