豎直壁面貼附式送風(fēng)模式氣流組織特性研究

尹海國，李安桂

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，目前主要的送風(fēng)模式有混合通風(fēng)和置換通風(fēng)兩種[1]．相比較來說，置換通風(fēng)具有送風(fēng)效率高、室內(nèi)空氣品質(zhì)優(yōu)、人員舒適性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[2-3]．但是，傳統(tǒng)置換通風(fēng)散流器大多位于房間下部，送風(fēng)直接進(jìn)入工作區(qū)，為了避免產(chǎn)生吹風(fēng)感，送風(fēng)速度往往受到限制，因此只能承擔(dān)40-50 W/m2左右的室內(nèi)負(fù)荷[4]，作用能力有限．并且系統(tǒng)布置時(shí)往往需要升高樓板高度(可達(dá)30 cm以上，布置下送管道)，占用建筑下部有效空間．

為解決上述兩種傳統(tǒng)送風(fēng)模式存在的問題，專家學(xué)者們提出了一系列新型的送風(fēng)模式．例如，2000年Karimipanah等人[5]提出基于半圓形或矩形送風(fēng)口的豎直壁面貼附式?jīng)_擊射流通風(fēng)（Down-to-floor Impinging Ventilation, DIV）；2002年，Melikov等人[6]針對局部環(huán)境控制提出的個(gè)性化通風(fēng)(Personalized Ventilation, PV)；2008年，林章等人[7]基于節(jié)能考慮提出高溫空調(diào)層式通風(fēng)(Stratum Ventilation, SV)；2014年，曹廣宇等人[8]針對工作區(qū)區(qū)域環(huán)境分隔與控制提出的工作區(qū)保護(hù)通風(fēng)(Protected Occupied zone Ventilation, POV)等．

本文提出的豎直壁面貼附式送風(fēng)模式[9]也屬于新型送風(fēng)模式的一種，但與上述送風(fēng)模式在作用原理上存在一定不同，它兼具混合通風(fēng)和置換通風(fēng)的特性．同時(shí)，豎直壁面貼附式送風(fēng)模式既有混合通風(fēng)送風(fēng)口容易布置、不占用工作區(qū)有效空間之優(yōu)點(diǎn)，又具備置換式通風(fēng)室內(nèi)空氣品質(zhì)高、能源消耗較小之優(yōu)點(diǎn)，能夠在一定程度上解決現(xiàn)有送風(fēng)模式存在的弊端[10]．

1 豎直壁面貼附式送風(fēng)理論模型

豎直壁面貼附式送風(fēng)模式理論基礎(chǔ)基于壁面貼附送風(fēng)和沖擊式射流，但與實(shí)際工程中主要應(yīng)用的頂板水平貼附送風(fēng)不同，豎直壁面貼附式送風(fēng)是沿豎直壁面的空氣流動(dòng)，流動(dòng)方向與重力方向一致，因此送風(fēng)軸線速度衰減相對較慢，進(jìn)而影響沖擊轉(zhuǎn)向后水平向的氣流組織特性．而與主要采用圓孔或矩形風(fēng)口的傳統(tǒng)沖擊射流不同，本文研究的豎直壁面貼附式送風(fēng)采用長寬比較大的條縫風(fēng)口，并且考慮到風(fēng)口安裝要求，條縫風(fēng)口中心距貼附側(cè)墻有一定的距離 s，因此送風(fēng)在沿側(cè)墻向下運(yùn)動(dòng)沖擊角落之前首先要偏轉(zhuǎn)并與墻壁形成貼附，這些改變可能會對氣流組織特性產(chǎn)生影響．

圖1(a)是豎直壁面貼附式送風(fēng)模式氣流組織理論模型示意圖．由圖可知，該送風(fēng)模式氣流組織可以劃分為豎直向貼附區(qū)，射流沖擊偏轉(zhuǎn)區(qū)和水平向空氣湖區(qū)3個(gè)部分．由于送風(fēng)口與豎直墻壁間存在一定距離，而在康達(dá)效應(yīng)的作用，豎直向貼附區(qū)內(nèi)將會存在一定的偏轉(zhuǎn)段．該氣流組織模型得到了全尺寸可視化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．從圖1(b)中清晰地看出，射流主體能夠向側(cè)墻偏轉(zhuǎn)，依次與豎直壁面和地板形成貼附流動(dòng)，并在人員工作區(qū)形成空氣湖狀速度分布．同時(shí)由于貼附壁面的存在，送風(fēng)主體進(jìn)入工作區(qū)前并未與室內(nèi)空氣產(chǎn)生較多的混合．這表明豎直壁面貼附式送風(fēng)模式在某種程度上確實(shí)具備了置換送風(fēng)的一些優(yōu)點(diǎn)．

圖1 豎直壁面貼附式送風(fēng)模式圖Fig. 1 The air distribution model of attached air curtain ventilation

2 豎直壁面貼附式送風(fēng)全尺寸實(shí)驗(yàn)

基于豎直壁面貼附式送風(fēng)理論模型，建立了1:1全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置．通過豎直向貼附區(qū)和水平向空氣湖區(qū)速度場的三維定量測試數(shù)據(jù)，來獲得豎直壁面貼附式送風(fēng)模式軸線速度、沿風(fēng)口長度方向平均速度和送風(fēng)主體斷面速度分布的特性，以及送風(fēng)沿運(yùn)動(dòng)方向厚度的擴(kuò)展特性，為這種新型氣流組織的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．

2.1 全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置

圖2為全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置示意圖，實(shí)驗(yàn)室尺寸為 5.4×7.0×3.16 m3(長×寬×高)，條縫風(fēng)口均勻送風(fēng)用靜壓箱裝置[11]尺寸為2.5×0.5×0.5 m3(長×寬×高)．條縫風(fēng)口距貼附墻面垂直距離s為0.1 m、距地面垂直距離h為2.6 m，條縫出風(fēng)口斷面長度l為2.0 m、寬度b為0.05 m．送風(fēng)采用離心式風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量1 000 m3/h，送風(fēng)量由節(jié)流閥控制，實(shí)驗(yàn)送風(fēng)速度取1.0、1.5和2.0 m/s．

豎直向貼附區(qū)y方向軸線速度測試采用非均勻布點(diǎn)，共11個(gè)測點(diǎn)、測量范圍2.45 ～ 0.25 m；z方向平均速度測試采用均勻布點(diǎn)，共 10個(gè)、測量范圍?1.9 ～ 1.9 m；x方向斷面速度測試采用均勻布點(diǎn)，共10個(gè)、測量范圍0.04 ～ 0.40 m．水平向空氣湖區(qū)x方向軸線速度測試采用非均勻布點(diǎn)，共12個(gè)測點(diǎn)、測量范圍0.35 ～ 4.4 m；z方向平均速度測試采用均勻布點(diǎn)，共10個(gè)、測量范圍-1.9 ～ 1.9 m；y方向斷面速度測試采用均勻布點(diǎn)，共10個(gè)、測量范圍0.04～ 0.40 m．

圖2 豎直壁面貼附式送風(fēng)全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置及三維速度測點(diǎn)布置Fig. 2 Full scale experimental model and measurement points distribution of attached air curtain ventilation

2.2 測試儀器及精度

速度場三維測試選用SWA03/31風(fēng)速探頭配合Swema多點(diǎn)測試采集系統(tǒng)(最多可控制16個(gè)測點(diǎn)同時(shí)測量)，以實(shí)現(xiàn)速度場的多點(diǎn)實(shí)時(shí)無擾動(dòng)監(jiān)測．對于每個(gè)測點(diǎn)的速度測試，采樣頻率設(shè)置為5 Hz，采樣周期設(shè)置為180 s，以消除送風(fēng)脈動(dòng)性對測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響[12]．速度場三維測試所用測試儀器及精度見表1，測量時(shí)所用SWA 03/31風(fēng)速探頭剛經(jīng)過廠家標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果顯示，用于速度場三維測試的 SWA 03探頭在本文速度測試范圍內(nèi)(0.07～2.0 m/s)最高誤差為0.012 m/s，用于送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量測試的 SWA 31探頭在本文速度測試范圍內(nèi)(2.5～5.0 m/s)最高誤差為0.1 m/s，儀器精度符合測試要求．

表1 實(shí)驗(yàn)測試儀器及精度表Tab. 1 Experimental equipments and instrument precision

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比分析

3.1 軸線速度衰減

圖3為測試得到的豎直向貼附區(qū)和水平向空氣湖區(qū)軸線速度分布，及與類似送風(fēng)模式已有研究結(jié)論的對比情況．軸線速度對比對象分別是基于水平壁面貼附送風(fēng)的Rajaratnam[13]計(jì)算式、ASHRAE[14]計(jì)算式，基于多股噴嘴匯合式豎直壁面貼附送風(fēng)的Cho等人[15]計(jì)算式，基于矩形風(fēng)口豎直壁面貼附?jīng)_擊式送風(fēng)的 Karimipanah等人[16]計(jì)算式，和采用Cao[17]虛擬原點(diǎn)理論推導(dǎo)得到的條縫風(fēng)口豎直壁面貼附式送風(fēng)計(jì)算式(虛擬原點(diǎn)理論見圖1a)．

圖3 不同送風(fēng)速度下無因次軸線速度分布及對比圖Fig. 3 Non-dimensional maximum velocity decay and comparison under different air supply velocities

由圖3a可知，豎直向貼附區(qū)，送風(fēng)速度變化對豎直向貼附區(qū)軸線速度分布影響不大，軸線速度均隨流動(dòng)距離的增加而呈現(xiàn)一致的衰減規(guī)律．與其他人員的研究結(jié)論相比，Rajaratnam計(jì)算式能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測本文送風(fēng)模式豎直向貼附區(qū)充分發(fā)展段的軸線速度，但對應(yīng)測點(diǎn)處計(jì)算值偏高．ASHRAE計(jì)算式對應(yīng)測點(diǎn)處計(jì)算值偏低，但在衰減規(guī)律方面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，因此綜合考慮兩個(gè)既有的計(jì)算式，本文送風(fēng)模式豎直向貼附區(qū)軸線速度計(jì)算式可以表述為式(1)的修正形式．Cho等人軸線速度計(jì)算式總體衰減規(guī)律與全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，但對應(yīng)取值點(diǎn)處軸線速度數(shù)值較高，這是因?yàn)閳A形噴嘴相對于矩形和線形送風(fēng)口來說，速度衰減相對較慢，因此對于豎直壁面貼附式送風(fēng)模式，為了提高送風(fēng)主體的延伸擴(kuò)散能力，可以考慮將條縫風(fēng)口改為平行布置的噴嘴組合，但同時(shí)要考慮吹風(fēng)感的有效消除．

式中：um(y*)為距送風(fēng)口距離為 y*時(shí)的軸線速度，y*為房間高度h和y*對應(yīng)高度y的差值(y*=h-y)，u0為送風(fēng)速度，b為條縫風(fēng)口寬度．

圖3b表明，水平向空氣湖區(qū)軸線速度分布與豎直區(qū)類似，送風(fēng)速度對軸線速度分布影響不大．不同送風(fēng)速度下，射流主體沖擊角落偏轉(zhuǎn)后，沿運(yùn)動(dòng)方向約1 m長度范圍內(nèi)(x/b≤20)軸線速度數(shù)值均有一定的增加，而后隨流動(dòng)距離的增加又逐漸衰減．測試數(shù)據(jù)與計(jì)算式對比，Cho、Karimipanah等人提出的計(jì)算式及Cao虛擬原點(diǎn)理論推導(dǎo)得到的半經(jīng)驗(yàn)公式均不能預(yù)測加速段的存在，但基于Giddings方程的式(2)能夠非常精準(zhǔn)的預(yù)測這一現(xiàn)象．如果不考慮加速段的影響，基于 Karimipanah等人矩形風(fēng)口改進(jìn)的用于條縫風(fēng)口水平向軸線速度的計(jì)算式與全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，可用于豎直壁面貼附式送風(fēng)模式水平區(qū)軸線速度的預(yù)測．

式中：um(x)為送風(fēng)主體轉(zhuǎn)彎后距沖擊角落距離為 x時(shí)的軸線速度，I1()為一階修正的貝塞爾函數(shù)．

同時(shí)由圖3可知，與傳統(tǒng)置換通風(fēng)相比，豎直壁面貼附式送風(fēng)主體進(jìn)入工作前速度衰減了一半以上，但在貼附壁面的“挾持作用”下，送風(fēng)并未與工作區(qū)之外的空氣有較多混合，因此進(jìn)入工作區(qū)的空氣保持了送風(fēng)主體的絕大部分冷/熱量和新鮮度．軸線速度的衰減主要是因?yàn)樗惋L(fēng)主體面積的擴(kuò)大，相當(dāng)于在房間左下角落處形成了一個(gè)虛擬的擴(kuò)張式送風(fēng)口，在將足夠的能量送入工作區(qū)的同時(shí)，由于送風(fēng)斷面的增加，降低了工作區(qū)的平均風(fēng)速，避免了吹風(fēng)感的產(chǎn)生，一定程度上解決了置換通風(fēng)存在的弊病．

3.2 沿風(fēng)口長度方向平均速度分布

F?rthman[18]指出送風(fēng)口長寬比大于20:1時(shí)，三維送風(fēng)可以忽略側(cè)墻的影響而簡化為二維送風(fēng)，本文將對長寬比為40:1的條縫風(fēng)口進(jìn)行全尺寸實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證和分析條縫風(fēng)口豎直壁面貼附式送風(fēng)的二維特性．

由圖4可知，沿送風(fēng)流動(dòng)方向不同位置處，風(fēng)口長度方向 10個(gè)測點(diǎn)的平均速度分布規(guī)律與軸線速度一致，兩種速度對應(yīng)取值點(diǎn)數(shù)值大小近似相等．因此條縫風(fēng)口形成的三維豎直壁面貼附式送風(fēng)模式具有較好的二維特性，研究時(shí)可以忽略風(fēng)口長度這一維度的影響．

3.3 送風(fēng)主體斷面速度分布

為分析條縫風(fēng)口距貼附墻面存在一定距離 s時(shí)，本文送風(fēng)模式是否能夠近似為全程貼附送風(fēng)，同時(shí)驗(yàn)證 Verhoff[19]和 Schwarz等人[20]提出的用于水平向送風(fēng)主體斷面速度分布計(jì)算式在本文送風(fēng)模式下的適用性，采用全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有計(jì)算式進(jìn)行對比分析如下圖5．

圖4 不同送風(fēng)速度下無因次軸線/平均速度分布對比圖Fig. 4 Comparison of non-dimensional maximum velocity and average velocity under different air supply velocities

圖5 不同送風(fēng)速度下無因次斷面速度分布圖Fig. 5 Non-dimensional velocity profiles distribution under different air supply velocities

由圖5a可知，豎直向貼附區(qū)，沿送風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向不同斷面速度分布具有相似性，送風(fēng)能夠在較短距離內(nèi)即與豎直壁面形成貼附，y=2.45 m處斷面速度分布已經(jīng)具有了與主體段一致的相似性，因此雖然條縫風(fēng)口中心與貼附墻面間存在 0.1 m的垂直距離，但送風(fēng)能夠忽略這一影響，近似按照全程貼附送風(fēng)來研究．圖 5b表示的水平向空氣湖區(qū)與豎直區(qū)類似，全尺寸實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與Verhoff和Schwarz等人計(jì)算式吻合較好．相比來說，豎直向貼附區(qū)Schwarz計(jì)算式在斷面速度分布計(jì)算方面精度較高，而水平向空氣湖區(qū)則是Verhoff計(jì)算式較高．

3.4 送風(fēng)沿運(yùn)動(dòng)方向厚度擴(kuò)展

圖6是全尺寸實(shí)驗(yàn)測試得到的送風(fēng)沿運(yùn)動(dòng)方向厚度擴(kuò)展及與Rajaratnam[13]給出的水平壁面貼附送風(fēng)、Beltaos[21]給出的沖擊射流豎直區(qū)和水平區(qū)計(jì)算式的對比．

由圖6可知，豎直向貼附區(qū)，不同風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)得到的厚度擴(kuò)展規(guī)律及對應(yīng)取值點(diǎn)數(shù)值大致類似，沿送風(fēng)主體運(yùn)動(dòng)方向厚度b0.5線性增大，數(shù)據(jù)可以擬合得到式(3)的厚度擴(kuò)展計(jì)算式，擴(kuò)展率為0.093．與Rajaratnam水平壁面貼附射流0.068的擴(kuò)展率相比，豎直壁面貼附式送風(fēng)沿運(yùn)動(dòng)方向厚度擴(kuò)展率較大，約為水平射流的1.37倍，這主要是因?yàn)樗奖诿尜N附送風(fēng)厚度擴(kuò)展方向與重力加速度方向相反；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與 Beltaos沖擊射流豎直向擴(kuò)展率近似一致，兩者相差僅 7%，因此豎直壁面貼附式送風(fēng)可作為沖擊射流的一半來考慮．

水平向不同風(fēng)速下，實(shí)驗(yàn)得到的送風(fēng)主體厚度擴(kuò)展仍呈現(xiàn)一定的線性分布規(guī)律，但由于送風(fēng)沖擊角落后加速段的存在，主體厚度呈現(xiàn)先收縮后擴(kuò)展的分布形態(tài)，收縮段和擴(kuò)展段的數(shù)據(jù)分別擬合得到式(4)的厚度收縮計(jì)算式和式(5)的厚度擴(kuò)展計(jì)算式．?dāng)U展段擴(kuò)展率為0.082，與Rajaratnam水平壁面貼附射流擴(kuò)展率相比，射流沖擊角落轉(zhuǎn)向后擴(kuò)展率增大了約1.21倍；而與Beltaos沖擊射流水平向擴(kuò)展率近似一致，兩者相差仍為 7%．所以豎直壁面貼附式送風(fēng)可以近似按沖擊射流理論來描述．

式中：b0.5為送風(fēng)主體特性半厚度，是流速等于0.5um所在位置距軸線的距離．

圖6 不同送風(fēng)速度下送風(fēng)主體厚度擴(kuò)展圖Fig. 6 Extending in thickness of air supply body under different air supply velocities

4 結(jié)語

采用全尺寸實(shí)驗(yàn)的方法對豎直壁面貼附式送風(fēng)這一新型模式的氣流組織特性進(jìn)行了全面研究，并與國內(nèi)外已有研究結(jié)論進(jìn)行了對比分析，研究表明：

(1) 豎直壁面貼附式送風(fēng)能夠在工作區(qū)形成類似于置換通風(fēng)的空氣湖狀速度分布，并能有效解決置換通風(fēng)制冷能力低、占用工作區(qū)下部有效空間等弊?。?/p>

(2) 基于國內(nèi)外射流領(lǐng)域已有理論及經(jīng)驗(yàn)公式，得到了豎直向貼附區(qū)和水平向空氣湖區(qū)送風(fēng)軸線速度衰減、送風(fēng)主體斷面速度分布和送風(fēng)沿運(yùn)動(dòng)方向厚度擴(kuò)展的計(jì)算式．

(3) 采用長寬比40:1的條縫風(fēng)口的豎直壁面貼附式送風(fēng)具體一定的二維特性，對送風(fēng)主體特性研究時(shí)沿條縫風(fēng)口長度方向取任意截面均可．

(4) 條縫風(fēng)口中心距貼附墻面距離小于 0.1 m時(shí)，并不會對氣流組織特性產(chǎn)生影響，送風(fēng)可以按照全程貼附送風(fēng)模式來研究．并且此時(shí)可以基于鏡面原理，將豎直壁面貼附式送風(fēng)當(dāng)做沖擊射流的一半來考慮．

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