集成导流板双层壁弯头的减阻机理与多参数协同优化

《Flow Measurement and Instrumentation》：Drag Reduction Mechanism and Multi-parameter Synergistic Optimization of a Double-walled Elbows with Integrated Flow Guides

　　

• 提出了一种低阻力的新型双壁带导流板及孔口弯头
• 通过响应面法（RSM）优化实现了局部阻力系数降低60%
• 环形流分流与射流动量补偿有效缓解了流动分离
• 在宽直径及雷诺数范围内获得了39%–62%的阻力降低

引言

在全球深度脱碳目标持续推进与城市化加速的双重背景下，提升流体分配系统的运行效率已成为建筑、市政和工业领域节能减排的主要驱动力。作为现代建筑环境的关键基础设施，流体分配管网被广泛应用于城市区域供热、大规模供水排水工程、工业过程冷却以及大型公共建筑的暖通空调系统。随着城市化的快速扩展和管网规模的日益增大，流体输送过程中的能耗已成为主要的能量损耗。相关研究表明，流体分配系统的能耗占建筑总能耗的相当大比例，其中由管路元件引起的局部阻力损失是能效低下的主要原因[1]、[2]。

在复杂的流体分配管网中，弯头作为管路连接的关键部件，用于改变管路走向和适应空间布局，具有数量庞大、分布广泛的特点。当流体流过弯头段时，在离心力与流体惯性的强耦合作用驱动下，主流体显著向弯头外壁侧移。由此，沿弯头内壁触发严重的逆压梯度和流动分离[3]、[4]。这种巨大的能量损失不仅增加了循环泵的电力消耗和运营成本，还引起严重的管路振动和声学噪声，从而危及系统的安全性和稳定性。因此，探索弯头有效的减阻技术具有重要的工程应用价值和节能潜力。

现有管路减阻技术主要关注流体添加剂[5]、[6]、边界层控制[7]、[8]和几何结构优化[9]、[10]。虽然掺入聚合物减阻剂可以改变流体性质，但该方法严重受限于介质污染、高运行成本和适用范围有限[11]、[12]。同时，边界层控制技术，包括功能性壁面涂层或微结构，往往存在耐久性差的问题，在长期侵蚀和腐蚀条件下容易失效[13]。

相比之下，结构优化——即通过修改弯头的内部或外部配置来改善流场并抑制二次流——因其适用性强且维护成本低，与工业需求高度契合。结构优化研究的核心在于通过调整几何参数或引入导流组件来调控流场结构。Tian等人[14]将黄河弯道启发性的仿生设计与随机森林算法相结合，实现了管道弯头的跨直径优化，获得了19%至26%的减阻率。Yin等人[15]通过正交试验优化了双导流板的位置，实现了11.4%至29.4%的阻力降低。Zhang等人[9]提出了仿生锯齿形导流板，通过降低前缘湍流耗散，与常规导流板相比实现了最高9.1%的阻力降低。此外，Yin等人[16]利用场协同原理优化了60°单导流板，获得了最高25.1%的阻力降低。

尽管在常规单壁弯头领域已取得显著成就，但针对结构更为复杂的双壁弯头的研究仍然稀缺。双壁弯头并非单壁结构的简单叠加，它引入了显著扩展的参数空间，并表现出内壁与外壁之间强烈的结构耦合。由多参数相互作用驱动的复杂流体机理使得直接迁移现有单壁弯头优化策略不可行。此外，双壁弯头中多变量的协同优化面临更大挑战。目前，该领域缺乏全面的结构优化框架和定量评价标准，阻碍了识别能最小化局部阻力系数的最优参数组合。

重要的是，现有针对局部管路元件减阻的研究主要集中于单壁弯头内的被动导流。对于利用管路固有几何拓扑结构——如内壁与外壁之间通过穿孔实现的连通——来实现主流自适应分流和动量补偿的机制，缺乏深入的流体力学研究。本研究小组此前对双壁三通接头开展了一系列研究：通过引入内管建立独立的传力与流道结构，有效控制了应力集中[17]；通过对流道进行几何优化，成功抑制了涡的发展，从而降低了湍流耗散和局部阻力[18]。然而，这些研究仅限于三通接头，尚未扩展至双壁弯头结构。此外，在复杂非线性湍流场中，多个结构参数（包括内外管的直臂长度、吸/射孔的尺寸以及内置导流板的形态）之间的交互式耦合效应尚未被系统地量化。

响应面法（RSM）作为一种高效的实验优化技术，在解决多参数耦合问题方面表现出显著优势。在流体机械和结构优化领域，RSM已被广泛采用以解析复杂多变量交互作用。Zhang等人[19]利用RSM优化了工业通风除尘弯头变径进出口的几何参数，实现了11.3%–14.9%的阻力降低和44.2%–50.9%的磨损降低。Chen等人[20]针对湿拌混凝土气力输送弯头，通过运用RSM优化输送风速、喂料率和弯头的R/D比，实现了18.7%–23.5%的压降降低和内壁最大磨损率降低31.2%–37.8%。在针对CO?酸性环境中弯头的平行研究中，Chen等人[21]利用RSM构建了腐蚀预测模型，其模型的决定系数（R2）达到0.968，能以腐蚀率误差低于5%实现高精度评价。此外，针对页岩气集输弯头，Chi等人[22]利用RSM开发了侵蚀评估模型，预测精度提高了42.7%，成功将误差范围控制在±6.3%以内。这些研究证实RSM能够有效识别关键影响因素并确定最优参数组合。因此，将RSM引入双壁弯头的优化设计中，将有助于系统筛选关键结构参数并分析其交互作用，为多目标优化提供可靠指导。

本研究旨在通过引入一种专利性的新型双壁弯头减阻结构[23]来弥合上述关键空白，从而超越传统被动流控范式。通过将高保真数值模拟与严格的实验验证相结合，本文系统地研究了所开发弯头的流体动力学特性及其减阻机理。所提出的构型旨在重新配置流截面上的动压分布并抑制二次流的发展，这通过环形腔的自适应分流效应和内置导流组件的能量再分配机制来实现。此外，在双壁边界固有的多参数几何耦合条件下，本工作揭示了湍流耗散的演化规律并阐明了二次流涡结构的破裂机制。鉴于所涉及的广泛且强耦合的结构参数，通过响应面法（RSM）建立稳健的多参数协同优化框架以最小化局部阻力系数，构成本工作的核心贡献。最终，研究成果为提升流体分配网络能量传输效率和精细化工程管路设计提供了坚实的理论基础和可靠的工程技术解决方案。图1详细概述了技术方案。

各章节片段

几何建模

本研究使用SolidWorks软件建立了常规弯头和新型双壁弯头的三维几何模型。新型双壁弯头采用同轴配置，由内管、外管和环形夹层组成。矩形进出口孔位于内管直臂段与弯头段的交界处。此外，在内管的弯头通道内安装了90°转向导流板以及……

基于响应面法的双壁弯头参数优化

为了量化各结构参数对双壁弯头流体阻力的相对贡献，并阐明多变量之间的非线性耦合机理，本研究采用响应面法（RSM）进行参数优化。RSM通过系统实验设计构建结构参数与阻力响应之间的二次回归模型，从而显式揭示各参数的独立影响及交互作用……

实验验证与模型校验

为了评估所提出的双壁弯头的阻力降低性能，采用3D打印技术制造了两组直径d=100 mm、曲率比r/d=1.5的不同构型弯头用于对比测试。如图18所示，随着雷诺数的增加，常规基准弯头和双壁弯头的局部阻力系数（ζ）均呈现先增后趋于稳定的趋势。总体而言，数值……

结论

为提升流体分配系统的水力效率和节能潜力，本研究开发了一种集成内部导流构型的创新双壁弯头。通过全面的数值模拟和实验验证，系统地表征了减阻机理和多参数耦合规律。主要结论总结如下：
（1）各归一化几何……的权重……

局限性与未来工作

本研究为建筑管路系统的减阻节能提供了理论基础。然而，仍存在一定局限性。优化分析仅限于90°双壁弯头，不同角度弯头的自适应尺寸和最优参数组合仍有待系统研究。此外，数值模拟和实验均采用常温单相净水作为介质，阻力降低……

CRediT作者贡献声明

孙海军：资源。雷永刚：资金获取。刘晓永：资源。李启尧：写作—初稿、软件、调查研究。荆胜兰：写作—初稿、软件、项目管理、方法论、资金获取。邓雪峰：资源。公建康：资源

数据可用性

数据将按需提供。

利益冲突声明

? 作者声明，没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢山西省自然科学基金项目（202103021224097）和山西省科技创新人才团队（202304051001011）的支持。

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