“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组在建筑环境领域Top期刊《Building and Environment》（JCR Q1，影响因子IF：8.4）上发表了最新研究成果，开发了一种以阀片气动增敏替代机械轴偏心的扭矩感知风阀。该风阀通过优化阀片构型，在保持同心轴安全结构的基础上显著放大空气动力矩，实现风量的精准感知与稳定近等百分比流量调节。

一、题目

基于气动增敏扭矩感知的风量测控一体通风阀

Torque-sensing damper with aerodynamic amplification for integrated airflow measurement and regulation in ventilation systems

二、作者

Yanan Zhao（赵雅楠），Shihao Wen（文诗豪），Junjie Liu（刘俊杰），Mengqiang Lv（吕孟强，通讯作者）

三、研究亮点

• 提出以“阀片构型气动增敏替代机械偏心”的扭矩感知风阀设计理念，通过阀片气动构型优化增强扭矩信号，在保留同心轴安全结构的同时兼顾风量感知灵敏度与关断可靠性。

• 揭示非偏心平板风阀扭矩偏低的根本原因在于平均压差难以形成净力矩、非均匀压力作用的有效力臂过短；通过比较7种阀片构型，确定凸-凹组合、轴对称阀片为最具优化潜力的气动构型。

• 构建融合阀片参数化表征、CFD数值模拟、串级神经网络代理模型与NSGA-II多目标优化的协同设计框架，实现阀片构型的多目标快速寻优。

• 优化设计后风阀在30°-70°开度下的扭矩较非偏心平板风阀提高3.7-5.5倍，风量预测误差控制在5%以内，并保持近似等百分比流量调节特性，在达到偏心风阀感知性能的同时避免机械偏心带来的关断风险。

四、摘要

在按需智慧通风系统中，将风量测量与风量调节集成于同一阀门组件，是提高控制精度、降低系统复杂度的重要途径。前期研制的扭矩感知风阀依靠阀轴偏心延长力臂以放大空气动力矩、保证测量精度。但偏心结构在高风量条件下可能产生过大的关断力矩，形成测量灵敏度与运行安全之间的矛盾。为解决这一问题，本研究提出一种以纯气动创新替代机械轴偏心的新型扭矩感知风阀。基于力矩形成机理与实验验证的CFD模型，揭示非偏心平板风阀扭矩信号偏弱主要源于空气动力矩臂较短。围绕迎风面、背风面及双面协同优化设计了7种阀片曲面构型，筛选出凸-凹组合、轴对称阀片作为优化对象。进一步构建阀片参数化表征、CFD数值模拟、神经网络代理模型和NSGA-II多目标优化协同框架，在兼顾扭矩输出、阻力相对能量损失和流量调节特性的条件下，对数百种阀片曲率组合进行快速寻优，得到最优阀片构型。实验结果表明，优化阀片在30°-70°开度下的扭矩较传统平板阀片提高3.7-5.5倍，风量预测误差保持在5%以内，性能达到偏心风阀水平，同时避免偏心结构的关断风险。尽管该阀片在大开度条件下会带来一定附加能量损失，但其仍保持近似等百分比流量特性，可为高精度、高可靠性通风系统提供风量感知与调节一体化解决方案。

五、主要成果

1、揭示风阀空气动力扭矩形成机理，提出构型气动增敏设计理念

当气流流经风阀时，会在阀片表面形成非均匀压力分布。该非均匀压力分布可等效分解为平均压力和由局部压力偏差形成的附加分布力矩：对于偏心风阀，阀轴偏离阀片几何中心，迎、背风面平均压差可借助非零力臂直接产生较大扭矩；而对于非偏心平板风阀，阀轴位于阀片中心，平均压差的作用线基本穿过阀轴，难以形成净力矩，其扭矩主要来自非均匀压力分布所产生的附加力矩。由于这部分压力中心通常距离阀轴较近，导致有效力臂较短、扭矩信号偏弱。基于这一机理，本研究提出以气动增敏替代机械轴偏心，通过优化阀片曲率、主动重构表面压力分布，使附加力矩的合力作用点远离阀轴，从而在保持同心轴安全结构的同时放大空气动力矩。

图1. 典型非偏心平板式扭矩感知风阀的物理结构

图2. 非偏心平板式扭矩感知风阀的受力分析：（a）原始压力分布；（b）等效压力表示

2、阐明阀片曲率调控空气动力矩的作用机制，确定双面协同优化构型

围绕迎风面、背风面及双面协同改型，研究设计并比较了7种阀片构型。如图3所示，不同曲率位置会显著改变阀片表面的压力分布、合力大小及作用点位置。结果表明，扭矩提升的关键不是单纯增大气动力，而是推动压力中心远离阀轴，延长有效力臂；其中，迎风面改型对扭矩增强最为显著，背风面单独改型的作用相对有限。

进一步的性能对比表明，单独迎风面上部凸起和阀片整体凸-凹双面协同构型均可明显提高空气动力矩，同时不会显著增加相对能量损失。综合扭矩增益、结构对称性及后续参数化优化需求，最终确定凸-凹组合、轴对称阀片作为后续优化的基础构型。

图3. 在风速7 m/s和开度50°下各种阀片构型表面上的气动力和力臂：红色标记表示迎风面上的合力和力臂，而蓝色标记表示背风面上的合力和力臂

图4. 传统平板式非偏心风阀和7种变化阀片构型的非偏心风阀在风速7 m/s和开度50°下的性能比较：（a）迎风面和背风面的扭矩贡献比例；（b）净扭矩和相对能量损失

3、构建阀片参数化表征-CFD数值模拟-机器学习协同优化框架，实现阀片构型快速寻优

针对阀片曲率组合多、CFD逐一计算耗时长的问题，研究构建了融合阀片参数化表征、CFD数值模拟、神经网络代理模型与NSGA-II多目标优化算法的协同优化框架。首先，通过参数化控制点描述阀片轮廓，并利用CFD获得不同构型下的空气动力矩与相对能量损失，形成高保真训练数据。如图5所示，所建立的串级神经网络模型能够准确预测阀片扭矩和相对能量损失，训练集与验证集的决定系数均保持较高水平。

在此基础上，以扭矩提升最优、相对能耗损失最小为目标，利用NSGA-II算法对数百种阀片曲率组合进行快速寻优，获得22组兼顾扭矩提升与能量损失控制的Pareto最优解。最后，以等百分比流量特性为约束目标，进一步筛选得到最终优化阀片构型。

图5. 串级神经网络模型性能：（a）和（c）是扭矩的训练和验证结果；（b）和（d）是相对能量损失的训练和验证结果。（a-d）中的阴影表示数据集的90%置信区间

(a)

(b)

图6. 22个帕累托最优解对应的优化非偏心风阀的性能：（a）在风速7 m/s和开度50°下的扭矩和相对能量损失；（b）最终优化阀片构型

4、实现风量精准测量与安全调节一体化，明确适用边界

如图7所示，在风速7 m/s和开度范围30°-70°内，优化风阀的扭矩较非偏心平板风阀提高3.7-5.5倍，同时避免了偏心结构在大风量条件下可能产生的过大关断力矩。

风量预测结果进一步表明，优化非偏心风阀在各典型开度下的预测误差均控制在5%以内，精度与偏心风阀相当，明显优于非偏心平板风阀，并表现近似等百分比流量调节特性。需要指出的是，优化阀片在较大开度下会产生一定附加能量损失，因此更适用于对测量精度、调节稳定性和关断安全要求较高的新风调节、核工业通风、VAV空调末端、洁净室、生物安全实验室及负压医疗环境通风。

图7. 在风速7m/s和开度10°-70°条件下，偏心风阀、非偏心平板风阀和优化非偏心风阀之间的扭矩和相对能量损失比较

(a)

(b)

(c)

图8. 7种风阀开度下的风速预测精度：（a）偏心风阀；（b）非偏心平板风阀；（c）优化非偏心风阀

六、结论

本研究从风阀空气动力扭矩形成机理出发，突破了传统扭矩感知风阀依赖机械轴偏心放大信号的设计路径，形成了“机理分析-阀片构型初步筛选-阀片构型参数化表征-CFD计算建立数据集-神经网络训练-多目标优化-实验评价”的完整贯通式技术开发。优化风阀兼具高扭矩灵敏度、5%以内的风量预测精度、近似等百分比调节特性和较高的关断安全性，为风量测量与调节功能在单一部件中的深度融合提供了新的设计范式。该成果可为智慧通风系统、VAV末端及高安全等级环境的精准风量控制提供理论基础与技术支撑。

七、致谢

本研究得到了国家重点研发计划项目“重要生物安全屏障病原微生物风险评估与防护关键技术研究及应用示范”（No. 2023YFC2605303）的资助。同时，本研究还得到了国家重点研发计划项目（No. 2023YFC3708400）、国家自然科学基金项目（No. 52208119）、中国博士后科学基金项目（No. 2021M692394）以及河北省绿色建筑人居环境技术创新中心（TCHS）的资助。

文章引用格式：Y. N. Zhao, S. H. Wen, J. J. Liu, M. Q. Lv. Torque-sensing damper with aerodynamic amplification for integrated airflow measurement and regulation in ventilation systems. Building and Environment, 2026, 303: 114976.

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稿件编辑：赵雅楠

稿件审核：刘俊杰、田媛