大空間旋流風(fēng)口熱舒適性研究

趙曉蓉

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求也隨之提高，建筑能耗所占總能耗的比例越來(lái)越大[1]。良好的氣流組織不僅可以提供一個(gè)舒適的熱環(huán)境，同時(shí)也可以降低建筑能源需求。為了提高大空間建筑的環(huán)境舒適度，旋流風(fēng)口由于其氣流混合性較好而被大量應(yīng)用[2]。

在大空間建筑中，安裝于建筑頂部的散流器為建筑送風(fēng)，氣流首先在上部空間混合，當(dāng)送風(fēng)氣流到達(dá)人員活動(dòng)區(qū)時(shí)速度較小，不會(huì)產(chǎn)生不舒適的吹風(fēng)感，熱舒適性與熱均勻性也較好。射流輪廓在旋流風(fēng)口附近區(qū)域具有不規(guī)則性，原因?yàn)槭苄黠L(fēng)口幾何形狀和射流條件的影響[3]。有研究表明，多旋流風(fēng)口耦合流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的軸向溫度呈指數(shù)下降[4-6]。在過(guò)去的十年中，只有很少的研究集中在利用旋流風(fēng)口改善室內(nèi)空氣分布和熱舒適性上。一些研究致力于在不同的動(dòng)態(tài)和熱條件下改進(jìn)旋流噴嘴，旨在通過(guò)增強(qiáng)氧化劑和燃料之間的混合來(lái)提高燃燒性能[7-8]。Ahmadvand等人[9]研究了軸向旋流對(duì)流體流動(dòng)和傳熱的影響。主要針對(duì)30°、45°和60°三種不同的葉片角度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，當(dāng)獲得較大葉片角度時(shí)，熱性能更好。Akililu等人[10]使用k-∈模型模擬由于單向和多向射流而產(chǎn)生的湍流與混合過(guò)程。Felli等人[11]研究得到擴(kuò)散效率與近壁區(qū)域射流的變形和能量大小有關(guān)。Yang等人[12]采用2D-PIV技術(shù)研究了旋流風(fēng)口的性能，結(jié)果表明旋流風(fēng)口送風(fēng)的卷吸能力要優(yōu)于圓形散流器。

關(guān)于旋流風(fēng)口的理論研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟。然而，旋流風(fēng)口在大空間建筑中的應(yīng)用研究卻相對(duì)較少。為了改善大空間建筑中的氣流組織和熱舒適性，且由于旋流風(fēng)口較高的卷吸率和空氣混合能力，選擇了具有不同旋流角度的旋流風(fēng)口作為送風(fēng)末端進(jìn)行研究。

2 模擬模型

2.1 物理模型與假設(shè)條件

單個(gè)旋流擴(kuò)散器的房間長(zhǎng)12 m，寬12 m，高9 m。旋流風(fēng)口安裝在頂板中央，排風(fēng)口位于側(cè)壁的底部中央。假設(shè)旋流角度為0°(方案1)、30°(方案2)、45°(方案3)和 60°(方案 4)。 旋流擴(kuò)散器的半徑為0.2 m，排風(fēng)口長(zhǎng)0.8 m，寬0.2 m。另外，送風(fēng)溫度設(shè)定為18℃，送風(fēng)速度為5 m/s。旋流風(fēng)口室內(nèi)送風(fēng)示意如圖1所示，旋流風(fēng)口實(shí)際模型如圖2所示。

圖1 室內(nèi)送風(fēng)示意

圖2 旋流風(fēng)口實(shí)際模型

2.2 模擬方法

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)來(lái)模擬旋流風(fēng)口送風(fēng)?？諝饬鲃?dòng)滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律。此外，在數(shù)值模擬中通過(guò)SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)了壓力-速度耦合。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文旨在研究旋流風(fēng)口在大空間建筑中的應(yīng)用。其中一些因素可以作為評(píng)估居住區(qū)空氣分布和熱舒適性的指標(biāo)，例如空氣速度、空氣溫度、射流中心線速度衰減系數(shù)(K值)和空氣卷吸率。采用無(wú)因次中心線速度來(lái)評(píng)估人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性，并研究了徑向無(wú)量綱的溫度和速度，以評(píng)估旋流擴(kuò)散器的卷吸能力。此外，由旋流擴(kuò)散器產(chǎn)生的旋流射流的性能可以通過(guò)一個(gè)常數(shù)來(lái)表征，該常數(shù)稱為射流中心線速度衰減系數(shù)(K值)。K值可通過(guò)式(1)計(jì)算。

式中，V0為旋流風(fēng)口出風(fēng)速度(m/s)；V為距離旋流風(fēng)口不同距離下的軸線速度(m/s)；K為速度衰減系數(shù)；A0為出風(fēng)口面積(m2)；z為到軸線上某點(diǎn)處的距離(m)；zp為距旋流風(fēng)口的距離(m)。

通過(guò)線性回歸方法，K和zp可以用式(2)～式(3)表示。

式中，Qz和Q0為距離旋流風(fēng)口z處的流量和旋流風(fēng)口出風(fēng)流量。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 速度與溫度分布

圖3為具有不同旋流角度的無(wú)量綱軸線速度和溫度分布曲線。從無(wú)量綱軸線速度分布可以看出，隨著高度的減小，由于周圍環(huán)境空氣的卷吸作用，在所有工況下，速度均呈現(xiàn)出迅速減小的趨勢(shì)。在旋流風(fēng)口附近區(qū)域，方案1(0°)中有著最高的軸線速度。方案4(60°)的軸線速度最低，該方案中，送風(fēng)沿屋頂延展，形成貼附射流，并通過(guò)立面送至活動(dòng)區(qū)。與方案1相比，方案2～方案4中的中心線速度相對(duì)較低，這是由于旋流風(fēng)口的送風(fēng)與更多的室內(nèi)空氣混合，從而降低進(jìn)入人員活動(dòng)區(qū)的速度。在方案1～方案3中，人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速相比于送風(fēng)口處的風(fēng)速有明顯的下降。溫度分布與速度分布顯著不同，方案4中由于送風(fēng)形成貼附射流，沿屋頂運(yùn)動(dòng)后送入人員活動(dòng)區(qū)，因此對(duì)下部區(qū)域內(nèi)溫度的改善作用較小。對(duì)于方案4，活動(dòng)區(qū)溫度遠(yuǎn)高于其它3種方案中同區(qū)域的溫度。但是，方案1～方案3之間速度差異對(duì)人員活動(dòng)區(qū)溫度分布沒(méi)有明顯影響。當(dāng)高度逐漸減小時(shí)，除了方案4之外，其它工況下溫度上升呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，這意味著旋流角度對(duì)人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)熱環(huán)境的影響基本可以忽略。同時(shí)，上部區(qū)域的溫度衰減比下部區(qū)域的溫度衰減更為明顯，方案1～方案3可以為人員提供一個(gè)均勻舒適的環(huán)境。

圖3 送風(fēng)口軸線速度及溫度分布曲線

本文旨在研究旋流風(fēng)口在大空間建筑中的應(yīng)用效果。因此，人員活動(dòng)區(qū)的速度和溫度分布是必不可少的因素，需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)估(見圖4)。從速度分布可以看出，在方案1～方案3中，徑向速度分布基本趨勢(shì)相似，而在方案4中，由于旋流角度較大，速度場(chǎng)與其它相差較大，隨著旋流角的增加，最高速度幅值逐漸減小。這是因?yàn)檩^高的旋流角會(huì)更快卷吸周圍空氣，使得風(fēng)速下降較快，不會(huì)對(duì)人員活動(dòng)區(qū)造成不舒適的吹風(fēng)感。當(dāng)旋流角大于45°時(shí)，最高速度約為0.5 m/s，這對(duì)于大空間建筑物是可以接受的。盡管在方案4中獲得了最佳的速度分布，但溫度比其它三個(gè)方案中的溫度高約1℃。在高度為0.1 m時(shí)，前三個(gè)方案的溫度分布類似，這說(shuō)明盡管旋流角度不同，但對(duì)人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)的溫度影響較小。另外，方案1～方案3中的最高溫度低于28℃。溫度隨徑向距離的增加而略有增加，表明這樣的送風(fēng)方式可以在人員活動(dòng)區(qū)提供相對(duì)較好的熱舒適條件。

圖4 距地面0.1 m處速度及溫度分布曲線

從圖4可以看出，盡管方案4人員活動(dòng)區(qū)的速度比其它三種方案要好，但該區(qū)域內(nèi)溫度較高。因此，在這種情況下人員的熱舒適性無(wú)法得到保障。在后續(xù)的研究中不再對(duì)60°旋流角度進(jìn)行評(píng)估。

4.2 射流軸線速度衰減系數(shù)及卷吸率

表1列出了不同旋流角下射流軸線速度衰減系數(shù)和卷吸率。隨著旋流角的增加，射流軸線速度衰減系數(shù)逐漸減小，這表明采用較高的旋流角度時(shí)，送風(fēng)速度衰減迅速，大量的環(huán)境空氣將與送風(fēng)氣流進(jìn)行混合。對(duì)于給定的旋流風(fēng)口，其空氣誘導(dǎo)效果可以通過(guò)射流的卷吸率進(jìn)行評(píng)估。方案1～方案3的卷吸率分別為1.4、2.1和2.6，這表明旋流風(fēng)口的卷吸率遠(yuǎn)大于普通形式散流器。因此，與傳統(tǒng)的散流器相比，旋流風(fēng)口可以顯著降低在人員活動(dòng)區(qū)的吹風(fēng)感。

表1 不同旋流角度下射流特性

4.3 不同旋流角度比較

為改善大空間建筑中的空氣分布和熱舒適性，比較了具有不同旋流角度(30°、45°、60°)旋流風(fēng)口和常規(guī)送風(fēng)口(0°)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。在大空間建筑中，建議采用旋流角為45°的旋流風(fēng)口。同時(shí)可以根據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速和溫度，改變旋流風(fēng)口的旋流角度，調(diào)節(jié)人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速和溫度，使之滿足熱舒適要求，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。

4.4 優(yōu)化分析

根據(jù)以上研究，選擇45°的旋流風(fēng)口用于大空間建筑。為了評(píng)估風(fēng)速的影響并優(yōu)化人員活動(dòng)區(qū)的空氣分布和熱舒適度，設(shè)置四種不同的送風(fēng)速度，分別為4 m/s(工況1)、5 m/s(工況2)、6 m/s(工況3)和7 m/s(工況4)，對(duì)人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速和溫度進(jìn)行比較。

圖5為高度為1.5 m時(shí)的水平速度和溫度曲線。速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)均呈現(xiàn)對(duì)稱分布。除中心線附近的區(qū)域外，四種工況下的速度差異不明顯。從圖5可以看出，送風(fēng)氣流可以覆蓋大約12 m2的區(qū)域，超出這一區(qū)域風(fēng)速基本為零。根據(jù)水平區(qū)域速度分布，大部分區(qū)域的人員都不會(huì)有吹風(fēng)感。但是，由于沿側(cè)壁的向上氣流在接近側(cè)壁的區(qū)域速度相對(duì)較高，送風(fēng)速度對(duì)水平區(qū)域溫度分布的影響比較明顯，對(duì)速度分布的影響可忽略不計(jì)。另外，四種工況下的最大溫差可超過(guò)1.5℃。當(dāng)采用較低的送風(fēng)速度時(shí)，溫度會(huì)相對(duì)較高，但都可控制在28℃以下。當(dāng)送風(fēng)速度為6 m/s時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速、溫度分布最好，同時(shí)可根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)智能控制系統(tǒng)調(diào)整送風(fēng)溫度，使之達(dá)到舒適性要求。

圖5 人員活動(dòng)區(qū)水平面速度及溫度分布曲線

5 結(jié)論

本文研究了旋流風(fēng)口在大空間建筑中應(yīng)用的可行性。對(duì)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

通過(guò)評(píng)價(jià)氣流組織和熱舒適性，研究了不同旋流角度(0°、30°、45°和 60°)下旋流風(fēng)口的性能。 在送風(fēng)口附近，軸線速度隨旋流角度的增加而呈下降趨勢(shì)。由于周圍空氣的卷吸作用，具有高旋流角度的速度衰減更快。當(dāng)旋流角度大于45°時(shí)，在0.1 m高度處的最高速度約為0.5 m/s；當(dāng)旋流角增加到60°時(shí)，氣流沿頂面行程貼附射流，其人員活動(dòng)區(qū)溫度比其他方案高約1℃。方案1～方案3的卷吸率分別為1.4、2.1和2.6，旋流角度越大，送風(fēng)的卷吸作用越強(qiáng)烈。因此，為提供舒適環(huán)境，建議選擇45°的旋流角度。同時(shí)采用智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)人員工作區(qū)速度與溫度，調(diào)節(jié)旋流角度，達(dá)到舒適、節(jié)能的效果。

對(duì)于不同的送風(fēng)速度，人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)四種工況下的速度分布相似，送風(fēng)速度對(duì)人員活動(dòng)區(qū)的溫度分布影響較小。送風(fēng)氣流在風(fēng)口附近產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，隨著與出口距離的增加，負(fù)壓區(qū)逐漸消失。綜合考慮人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)的速度與溫度分布，建議采用6 m/s的送風(fēng)速度。同時(shí)根據(jù)人員活動(dòng)區(qū)的速度、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)送風(fēng)速度，使之達(dá)到更好的效果。