側(cè)面約束對吊扇流場影響的實驗研究

王金鋒 辛軍哲 鄭才翥

（1.廣州大學(xué)；2.廣東瑞泰通風(fēng)降溫設(shè)備有限公司）

0 引言

吊扇是一種有效、節(jié)能且經(jīng)濟(jì)的機(jī)械冷卻設(shè)備，廣泛用于需要通風(fēng)降溫及換氣場所，如家庭住宅、商場、醫(yī)院、工業(yè)生產(chǎn)車間等各種場所。在美國超過80%的獨棟家庭建筑至少安裝有一臺吊扇，這表明了吊扇在熱舒適和居住者對可控空氣流動等方面有著廣泛的需求[3]。相比空調(diào)系統(tǒng)而言，吊扇在保持舒適性的條件下更符合節(jié)能、環(huán)保的要求。最近一項研究結(jié)果表明，近年來學(xué)者們對吊扇的研究興趣越來越大，相關(guān)出版物的數(shù)量是前33年的1.5倍多[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于單臺吊扇在無約束或較小約束環(huán)境下的流場做了不少實驗測試和模擬研究，得出了一系列關(guān)于吊扇流場的結(jié)論。J.Ankur等人通過煙霧可視化方法確定了吊扇下方不同的流動區(qū)域中的風(fēng)速分布[4]。之后Ramadan Bassiouny 等人使用CFD 模擬計算對吊扇的流場分布特點進(jìn)行研究，描述了吊扇在不同流動區(qū)域內(nèi)的流動特性，同時引入了兩種相關(guān)性參數(shù)幫助預(yù)測吊扇引起的氣流分布[5]。Francesco Babich 等人進(jìn)一步使用模擬計算對吊扇流場分布進(jìn)行研究，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果能夠準(zhǔn)確、定性和定量地預(yù)測吊扇所產(chǎn)生的氣流[6]。Wenhua Chen等人也通過實驗和模擬兩種方式研究了安裝吊扇辦公樓的氣流分布，通過實驗結(jié)果驗證了CFD 的預(yù)測結(jié)果，分析了吊扇轉(zhuǎn)速和吊扇葉片的幾何形狀對流場的影響[7]。Paul Raftery 等人繼續(xù)對吊扇在不同運行情況下產(chǎn)生的流場進(jìn)行實驗研究，論證影響吊扇流場的因素更加全面，有房間大小，吊扇直徑、葉片類型、吊扇轉(zhuǎn)速、吹風(fēng)方向(上、下)、葉片安裝高度等。得出對吊扇流場影響顯著的因素有吊扇轉(zhuǎn)速、吊扇直徑和吹風(fēng)方向，同時運用了幾種新的無量綱表示方法，適用于各種類型吊扇和房間特征的風(fēng)速比較，并且可以用來預(yù)測吊扇的氣流分布情況[8]。Huan Wang 等人采用一種色譜序列粒子條紋測速(CSPSV)方法對吊扇流場進(jìn)行了更加精確的測量，根據(jù)三維矢量測量結(jié)果，計算平均速度、湍流強(qiáng)度和渦量，并分析了吊扇在不同轉(zhuǎn)速和吹風(fēng)方向下的氣流分布特點[9]。另外，陳家明等人對HVLS 吊扇流場做出詳細(xì)的介紹，分析了不同葉片幾何形狀、葉片的幾何參數(shù)以及有無葉尖小翼等都會對其流場分布有著較大影響[10]。

另一些學(xué)者對吊扇在有約束環(huán)境下的流場做了深入的研究。Wenhua Chen 等人通過實驗和模擬兩種方式分析了吊扇安裝高度和吊扇離天花板距離對流場的影響，得出安裝高度對吊扇氣流分布的影響大于吊扇離天花板的距離的結(jié)論[7]。在實驗方面Yunfei Gao等人也首次研究了桌子和房間分區(qū)對吊扇形成的流場分布和對舒適性的影響，通過對五種不同的房間分區(qū)配置進(jìn)行測試，并與空房間的測試數(shù)據(jù)比較，得出了吊扇下方區(qū)域有家具阻擋時的氣流簡化模型和兩種具有舒適標(biāo)準(zhǔn)含義的吊扇下方氣流舒適度輪廓曲線，可幫助定位吊扇和房間家具的位置[11]。而Maohui Luo等人是對四種不同空間類型、家具配置、房間幾何形狀以及家具密度這些影響建筑中吊扇流場的因素進(jìn)行了詳細(xì)的實驗測量，同時文章中引入了空速覆蓋指數(shù)（AIC）來預(yù)測多種影響因素下吊扇流場的分布情況，并驗證了以前在實驗室研究吊扇風(fēng)速之間的線性關(guān)系[12]。

以上關(guān)于吊扇流場的研究，各學(xué)者都在不同的方面做出詳細(xì)且具有參考價值的成果，但在研究中沒有涉及兩臺或者多臺吊扇一起運行時的流場分布特點。由于多吊扇同時運行其流場相比單臺復(fù)雜的多，到目前為止對于多吊扇運行的流場研究還很少。早前W.Yan 等人運用CFD 模擬方法研究了大容量低轉(zhuǎn)速(HVLS)吊扇和兩臺吊扇所產(chǎn)生的氣流模式，研究結(jié)果顯示了吊扇的速度等高線、矢量圖、流線軌跡和等速面[13]。而后Shuo Liu 等人研究了單個吊扇和多個吊扇引起的氣流分布，作者從測量結(jié)果中開發(fā)了典型的氣流模式，并通過煙霧可視化進(jìn)行進(jìn)一步的驗證，對于單個吊扇的實驗結(jié)果與之前的研究一致，對于多吊扇情況，轉(zhuǎn)速水平的差異和吊扇之間的安裝距離都會以復(fù)雜的方式影響氣流分布[14]。最近Bitopan Das 等人通過CFD 模擬的方法對單臺HVLS 吊扇和兩臺高速吊扇的冷卻性能和氣流分布特點進(jìn)行了比較研究，得出兩臺高速吊扇產(chǎn)生的氣流冷卻效果隨著距離增加而顯著降低[15]。

從前面各學(xué)者的研究中可以看到，對于有墻體約束及兩臺吊扇間的流場的研究較少，Shuo Liu 等人[14]雖然也對兩臺及三臺吊扇間流場的速度分布做了實驗研究，但其測試是以建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境為主要分析對象，測點在房間內(nèi)均勻分布，并具有較大的測點間隔，未能有效反映風(fēng)扇之間流場的相互影響情況。本文主要從前人對吊扇一系列的研究成果出發(fā)，將按照ANSI/ASHRAE Standard 216-2020標(biāo)準(zhǔn)[16]，詳細(xì)測試了吊扇在有墻體約束情況下的流場和兩臺吊扇間的流場，并分析其流場分布特點，為今后研究吊扇在有約束情況下流場分布特點提供參考和建議。

1 實驗概況

1.1 測試場地和測試環(huán)境

本文的實驗測試地點位于我國華南地區(qū)，測試時間為2021 年7 月26 日～2021 年8 月10 日。測試環(huán)境中共安裝6 臺吊扇，其中5 臺直徑7.3m，1 臺直徑4m。從俯視圖上看各吊扇均是沿順時針運轉(zhuǎn)，在測試范圍內(nèi)均沒有障礙物，另外兩種直徑的吊扇離吊頂?shù)母叨染?.5m距離以上，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的研究結(jié)果表明，本實驗測試的吊扇安裝遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過吊頂?shù)挠绊懢嚯x，后續(xù)分析可以無需考慮吊頂對風(fēng)速的影響。測試場地的平面圖和側(cè)面圖如圖1所示。

圖1 測試場地的平面圖和側(cè)面圖Fig.1 Plan and side view of the test site

1.2 測試儀器和測試方法

本實驗測試依據(jù)ANSI/ASHRAE Standard216-2020標(biāo)準(zhǔn)[16]執(zhí)行，本標(biāo)準(zhǔn)適用于吊扇速度數(shù)據(jù)的測試，規(guī)定了儀器精度要求和測點布置方法。在吊扇軸向方向距離地面0.1m，0.6m和1.1m的三個高度和距離地面0.1m，1.1m和1.7m的三個高度分別用于確定坐姿和站姿狀態(tài)人員腳踝、腰部及頭部位置的空氣速度，現(xiàn)場具體測試情況如圖2 所示。在吊扇徑向方向1 倍半徑內(nèi)、1～2 倍半徑及2倍半徑外三個區(qū)域測點間隔均不同，具體布點詳見表1。

圖2 現(xiàn)場測試圖Fig.2 Field test picture

表1 不同直徑吊扇測試位置布置Tab.1 Different test position layout of ceiling fans

本實驗儀器選用4 臺型號為WFWZY-1 的萬向風(fēng)速風(fēng)溫記錄儀，儀器分辨率為0.01m/s，風(fēng)速測量范圍為0.05～30m/s。此儀器為實時全方位（360°）測量風(fēng)速，具有響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點，適用于本實驗風(fēng)扇風(fēng)速測試的要求。通過對4臺儀器校準(zhǔn)，使各個儀器之間的測量誤差在0.1m/s 范圍內(nèi)。儀器記錄風(fēng)速時間間隔設(shè)為最小值2 秒，在每個測點上測試均為3 分鐘，最終測試數(shù)據(jù)取3分鐘內(nèi)所測得的90個風(fēng)速數(shù)據(jù)的平均值。

為了方便各不同吊扇之間速度的比較，在實際測試過程中，將風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速固定在保證不受約束一側(cè)的站姿最大平均風(fēng)速接近1.6m/s的條件下。經(jīng)過調(diào)試，得到直徑7.3m吊扇的轉(zhuǎn)速為23r/min，直徑4m吊扇的轉(zhuǎn)速為42r/min，且在不同測試情況下吊扇轉(zhuǎn)速不變。在進(jìn)行任何測試之前，將門窗關(guān)閉，將吊扇開啟運行15分鐘以上，以避免外界環(huán)境和吊扇開始運行時流場不穩(wěn)定帶來的實驗誤差。在實驗測試過程中，每隔3分鐘將測試儀器移動到下一個測點位置處，在移動儀器的過程中待儀器及固定儀器的支架穩(wěn)定后才開始計時測試下一個測點上的風(fēng)速值，充分保證了本實驗測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 測試結(jié)果

2.1 單臺吊扇風(fēng)速的實驗結(jié)果

圖3 和圖4 是僅開啟2 號吊扇時沿A測試線和沿C測試線在不同高度上風(fēng)速的測試結(jié)果，圖5 是僅開啟3號吊扇時沿D測試線在不同高度上風(fēng)速的測試結(jié)果，圖6是僅開啟6號吊扇時沿B測試線在不同高度上風(fēng)速的測試結(jié)果。各測試線的位置如圖1所示，圖中的平均風(fēng)速為在0.1m、1.1m和1.7m三個高度上站姿速度的平均值。

圖3 A測試線風(fēng)速分布Fig.3 A Test line wind speed distribution

圖4 C測試線風(fēng)速分布Fig.4 C Test line wind speed distribution

圖5 D測試線風(fēng)速分布Fig.5 D Test line wind speed distribution

圖6 B測試線風(fēng)速分布Fig.6 B Test line wind speed distribution

2.2 兩臺吊扇間風(fēng)速的實驗結(jié)果

圖7為僅開啟2號和3號兩臺相同直徑吊扇時沿E測試線在不同高度上風(fēng)速的測試結(jié)果，圖8為僅開啟直徑7.3m的5號和直徑4m的6號兩臺不同直徑吊扇時沿F測試線在不同高度上風(fēng)速的測試結(jié)果，圖9為僅開啟1號和2號兩臺相同直徑吊扇時沿G測試線在不同高度上風(fēng)速的測試結(jié)果。各測試線的位置如圖1所示，其中G測試線為朝著兩臺吊扇對稱線和北墻的交點。圖中的平均風(fēng)速為在0.1m、1.1m 和1.7m 三個高度上站姿速度的平均值。

圖7 E測試線風(fēng)速分布Fig.7 E Test line wind speed distribution

圖8 F測試線風(fēng)速分布Fig.8 F Test line wind speed distribution

圖9 G測試線風(fēng)速分布Fig.9 G Test line wind speed distribution

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 墻體對吊扇流場的影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)[2]對吊扇流場的分區(qū)概述，非常詳細(xì)地將吊扇流場分成九個區(qū)域，分別為射流核心區(qū)、沖擊區(qū)、擴(kuò)散區(qū)、墻壁區(qū)、吸引區(qū)、回流區(qū)、滯留區(qū)、旋渦區(qū)和靜止區(qū)。本文根據(jù)文獻(xiàn)[2]和射流力學(xué)[1]理論將吊扇流場分為6個主要區(qū)域，如圖10所示，圖中的射流核心區(qū)、地面沖擊區(qū)和地面擴(kuò)散區(qū)類似于射流力學(xué)[1]的自由射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁面擴(kuò)散區(qū)。在實際工程上吊扇大都安裝在室內(nèi)，周圍都有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的遮擋，在不同的建筑內(nèi)部吊扇安裝離墻距離不盡相同，便會導(dǎo)致各個區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布發(fā)生變化，故下面將對吊扇與墻體間的流場分布特點進(jìn)行分析。

圖10 吊扇與墻體間速度分布特征Fig.10 Velocity distribution between ceiling fan and wall

圖11（a,b,c）比較了A/C/D三條測試線在0.1m、1.1m和1.7m 三個高度上的風(fēng)速。從圖中可以看出，在C 測試線有墻面存在的時候，風(fēng)速峰值出現(xiàn)的位置會更靠近吊扇中心，且在距地面越高的位置風(fēng)速峰值就越靠近吊扇中心，另外吊扇下方三個高度上的風(fēng)速峰值增大。根據(jù)圖9中對吊扇的詳細(xì)分區(qū)，可以分析出在吊扇離墻體較近時，產(chǎn)生的流場在地面擴(kuò)散區(qū)會很快流到墻體沖擊區(qū)中，此時地面擴(kuò)散區(qū)的高速氣流正向沖擊到墻體，使得風(fēng)速在墻體附近迅速降低，接著氣流會沿著墻體向上流到墻體擴(kuò)散區(qū)，氣流沿墻向上流動發(fā)展，風(fēng)速迅速增大，在這種有墻體存在情況下中間滯留區(qū)的空間就會被兩側(cè)射流核心區(qū)和墻體擴(kuò)散區(qū)的高速氣流壓縮，從而導(dǎo)致在滯留區(qū)的流體壓強(qiáng)相比無墻體阻擋情況時大，這樣滯留區(qū)高壓流體便會向外擠壓其他區(qū)域，從而限制了射流核心區(qū)發(fā)展擴(kuò)散，使得靠近墻體側(cè)的射流核心區(qū)向吊扇中心收縮，并使峰值的速度增大；此外在0.1m高度上氣流主要處在地面沖擊區(qū)內(nèi)，其流動受到地面沖擊的影響較大，滯留區(qū)的高壓流體產(chǎn)生的擠壓效果并不起到主要作用，在1.7m 高度上氣流則主要處在射流核心區(qū)內(nèi)，其受到側(cè)面滯留區(qū)高壓流體擠壓影響較大，并且受到地面的影響較小，而在1.1m高度正好處于兩者之間，在此高度上雖然也受到側(cè)面高壓流體擠壓，使得風(fēng)速峰值向吊扇中心移動，但峰值偏移的并不大，所以從三幅圖中可以看到在距地面越高的位置風(fēng)速峰值就越靠近吊扇中心。

另外，從圖11的三幅圖中可以看出，在A測試線沒有墻體等阻擋的情況下，風(fēng)速在達(dá)到峰值后沿著徑向距離的增大風(fēng)速逐漸降低直至穩(wěn)定到低速范圍，而在C測試線有墻體阻擋情況下的近墻面附近，與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果極為相似的是，0.1m高度上風(fēng)速會急劇降低，相反在1.7m 高度上風(fēng)速會急劇升高，而在1.1m 高度上與1.7m相似，但風(fēng)速值增加幅度要低于1.7m高度，同時在1.1m高度上風(fēng)速達(dá)到峰值后其速度仍保持在較大范圍內(nèi)。根據(jù)圖9可以分析出，在0.1m高度近墻面處的氣流主要處于地面擴(kuò)散區(qū)和墻體沖擊區(qū)，在地面擴(kuò)散區(qū)徑向風(fēng)速較大，流到墻體沖擊區(qū)時氣流直接正向沖擊到墻體上，此時氣流受到墻面阻擋會急劇降低，而在1.7m高度近壁面處的氣流主要處于滯留區(qū)和墻體擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，在滯留區(qū)內(nèi)風(fēng)速較低，而在墻體擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，氣流沿著墻體向上流動發(fā)展，在此區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較高，所以在1.7m 高度近壁面處的風(fēng)速急劇增大，在1.1m 高度近壁面氣流處，根據(jù)其墻體附近風(fēng)速小于1.7m 處的速度這一特點，可以斷定，在該位置處流動大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)向向上的擴(kuò)散流動，但仍不完全，流動處于墻體沖擊區(qū)到墻體擴(kuò)散區(qū)的過渡段內(nèi)。同時，通過圖9分析，根據(jù)1.1米高度處的最小風(fēng)速仍然較高，相應(yīng)也可以判定，此高度仍然處于地面擴(kuò)散區(qū)范圍之內(nèi)，擴(kuò)散區(qū)的高度介于1.1m和1.7m之間。

從圖11 的三幅圖中還可以看出，D測試線吊扇與墻角之間的流動也與C測試線吊扇與墻壁之間的流動具有很高的相似性。同樣吊扇下方三個高度上的風(fēng)速峰值增大，但該增量較小，尤其是在1.1m 高度位置，甚至還有略微減小的情況。三個高度上風(fēng)速峰值位置的內(nèi)移量較大，似乎與墻壁方向的內(nèi)移量相近。而在近墻角附近，其速度變化要比近墻壁附近要緩慢得多。說明墻角位置的氣流擴(kuò)散厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正向墻壁表面。值得一提的是，在離墻角很近的區(qū)域，其速度相對于離墻壁同樣距離處的變化更加緩慢。其主要原因是所測量的速度是不分方向和速度的，而在墻角附近由于結(jié)構(gòu)的限制，阻礙了流體繞風(fēng)扇軸圓周與方向的流動，流體只有沿墻角向上方向的分速度，其數(shù)值自然比同距離墻面的數(shù)值要低。

圖11 A/C/D三條測試線在0.1m、1.1m和1.7m三個高度上的風(fēng)速比較Fig.11 Comparison of wind speeds of A/C/D test lines at altitudes of 0.1 m,1.1 m and 1.7 m

3.2 相同直徑吊扇間流場分析

關(guān)于兩臺吊扇間流場分布特點，根據(jù)沖擊射流[17]里面的雙股沖擊射流的流動分區(qū)，把兩臺吊扇間流場也進(jìn)行分區(qū)，如圖13 所示。雙股沖擊射流里面的上噴形成區(qū)和上噴流區(qū)對應(yīng)圖13中兩臺吊扇間的風(fēng)速干涉區(qū)和射流形成區(qū)。

圖13 兩臺相同直徑吊扇間速度分布特征Fig.13 Velocity distribution between two ceiling fans with the same diameter

從圖7的E測試線風(fēng)速分布可以看出，兩臺相同直徑吊扇之間的風(fēng)速分布相對于其連線中心垂直斷面具有很好的對稱性。需要注意的是，在實際流場中，由于兩臺吊扇安裝的位置不同，3 號吊扇安裝在墻角處，氣流受到東墻的阻擋，吊扇靠墻側(cè)的滯留區(qū)高壓流體擠壓射流核心區(qū)，導(dǎo)致射流核心區(qū)的主流方向偏向西側(cè)流動，使得兩臺吊扇間風(fēng)速交互的界面向西側(cè)偏移，另外兩臺吊扇的性能也并不完全相同，這就導(dǎo)致兩風(fēng)扇之間的交界面并不完全在其幾何距離中心位置。圖6的測試數(shù)據(jù)顯示，其兩風(fēng)扇之間的交界面要比圖11 理想情況斷面偏西側(cè)0.5m的距離。

圖12（a,b,c）比較了C/D/E/G四條測試線在0.1m、1.1米和1.7m三個高度上的風(fēng)速，其中E測試線選取了2號吊扇側(cè)的風(fēng)速進(jìn)行比較。從圖12 可以看出，上述C測試線吊扇與墻壁之間的流動特點，同時也出現(xiàn)在E測試線吊扇與吊扇間交界面區(qū)域內(nèi)的流場速度分布中，兩吊扇之間的交界面類似于一堵虛擬的墻壁，將各吊扇的流動分開。由于吊扇與交界面之間的距離比吊扇與墻壁的距離較遠(yuǎn)，故其風(fēng)速峰值出現(xiàn)的位置會更遠(yuǎn)離吊扇中心，且在距地面越高的位置風(fēng)速峰值就越遠(yuǎn)離吊扇中心，另外吊扇下方三個高度上的風(fēng)速峰值增大量也較小。在風(fēng)扇近交界面附近，0.1m 高度上風(fēng)速相對下降的較為平緩，在1.7m 高度上風(fēng)速升高的也較為緩慢，在1.1m 高度上的速度分布與墻壁附近的速度分布也極為相似。

圖12 C/D/E/G四條測試線在0.1m、1.1m和1.7m三個高度上的風(fēng)速比較Fig.12 Comparison of wind speeds of C/D/E/G test lines at altitudes of 0.1 m,1.1 m and 1.7 m

從圖12 的三個圖中還可以看出，G測試線吊扇間斜向方向上的速度分布也與D測試線吊扇與墻角之間的流動具有很高的相似性。在G測試線的近邊角附近，看不出其與D測試線的墻角位置附近流動有什么明顯的不同。由于其距離不同，故間接說明，近斜向邊角附近的速度分布受距離的影響較小。而和D測試線風(fēng)速分布相比，G測試線三個高度上的風(fēng)速峰值大小近似相同，并與A測試線無障礙下的峰值大小相近。但速度峰值所在的位置，則相對于D測試線沿墻角方向的速度峰值有進(jìn)一步向風(fēng)扇中心方向明顯的內(nèi)移。該現(xiàn)象說明，吊扇沿墻角方向和吊扇間斜向方向流動的擠壓實際上是發(fā)生在吊扇射流核心區(qū)較高位置的起始段，而不是像壁面擠壓那樣發(fā)生在吊扇射流核心區(qū)較低位置的主體段。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是，吊扇沿墻角方向和吊扇間斜向方向的壁面射流厚度較大，沿墻壁向上厚度的增加較為顯著，從而直接會擠壓吊扇起始段的射流流動，并且距離越近這種擠壓就越明顯。

3.3 不同直徑吊扇間流場分析

從圖8 的F測試線風(fēng)速分布可以清楚的看出兩臺不同直徑吊扇之間流場的交界面位置，交界面同樣類似于一堵虛擬的墻壁，將各吊扇的流動分開。該位置近似位于離大直徑吊扇側(cè)2倍半徑處的位置。

圖15（a,b,c）比較了C/E/F三條測試線在0.1m、1.1米和1.7m三個高度上的風(fēng)速，其中E/F測試線分別選取2 號吊扇和4 號吊扇側(cè)的風(fēng)速進(jìn)行比較。從圖15 可以看出，兩個直徑不同的吊扇交界面區(qū)域內(nèi)的流場速度分布與兩相同直徑吊扇間的速度分布以及風(fēng)扇與墻壁間的速度分布都比較相似。只是如圖14所示，由于小吊扇安裝高度較低，其進(jìn)風(fēng)側(cè)的負(fù)壓會將大吊扇的部分氣流吸入小吊扇內(nèi)，造成大吊扇靠近小吊扇側(cè)的射流速度減小且峰值外移，進(jìn)而會在1.7m高度處出現(xiàn)圖15c的速度分布特征。但由于其與交界面的距離較近，故在射流發(fā)展過程中，其仍會受到交界面附近氣流的擠壓，在0.1m和1.1m高度處分別出現(xiàn)15a和15b的速度流動特征。

圖14 兩臺不同直徑吊扇間速度分布特征Fig.14 Velocity distribution between two ceiling fans with different diameters

圖15 C/E/F三條測試線在0.1m、1.1m和1.7m三個高度上的風(fēng)速比較Fig.15 Comparison of wind speeds of C/E/F test lines at altitudes of 0.1 m,1.1 m and 1.7 m

3.4 不同約束下的徑向速度分布特征

對于射流力學(xué)里面壁面射流區(qū)沿流動方向上最大速度的變化和邊界層的厚度，文獻(xiàn)[1]引用格勞特紊動壁面射流理論，將壁面射流分為兩層，即具有自由射流特征的外層和壁面效應(yīng)明顯的內(nèi)層。內(nèi)層采用布拉休斯管流壁面率，外層采用普朗特自由紊流理論，分別求出這兩層的相似性解，最后得出壁面射流最大速度與徑向半徑成反比，射流厚度與徑向半徑成正比的結(jié)論。壁面射流簡化示意圖如圖16所示。

圖16 壁面射流簡化示意圖Fig.16 Simplified diagram of wall jet flow

將無遮擋的A/B兩條測試線在0.1m和0.6m高度上到最大風(fēng)速位置以外的數(shù)據(jù)無量綱處理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得出圖17（a,b,c,d）中的擬合曲線方程，R2分別為0.94，0.91 和0.88，0.12。結(jié)果顯示，在離地面較近高度上的速度u與距離r有很好的反比例關(guān)系，另外，可以看到B 測試線在0.6m 高度上的風(fēng)速擬合結(jié)果較差，反應(yīng)出吊扇的地面擴(kuò)散區(qū)的厚度與其直徑有一定關(guān)系。繼續(xù)將1.1m和1.7m速度分布以相同的方式進(jìn)行處理，最后結(jié)果不能呈現(xiàn)反比例關(guān)系。上面結(jié)果表明在吊扇形成流場達(dá)到地面沖擊區(qū)內(nèi)會沿著地面進(jìn)入較薄的地面擴(kuò)散區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布特點是符合射流力學(xué)里面的壁面射流理論。隨后也將兩臺吊扇之間的流場以相同的方式進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)吊扇之間的相互干擾使得風(fēng)速不再符合壁面射流理論里的速度分布規(guī)律，這可能是吊扇下方?jīng)_擊區(qū)域較大，且兩臺吊扇之間距離較近，加之吊扇間的相互影響，使得壁面射流區(qū)域范圍很小，無法形成壁面射流的規(guī)律就已經(jīng)進(jìn)入到兩吊扇相互作用區(qū)中。

圖17 A/B測試線0.1m和0.6m高度風(fēng)速擬合Fig.17 A/B test line wind speed fitting at 0.1m and 0.6m altitude

4 結(jié)論

1）有墻面存在時，風(fēng)速峰值位置會更靠近吊扇中心，且距地面越高風(fēng)速峰值就越往吊扇中心移動，同時吊扇下方三個高度上的風(fēng)速峰值增大。在近墻面附近，三個高度上的風(fēng)速分布均表現(xiàn)出不同的變化趨勢。另外，吊扇與墻角之間的流動和吊扇與墻面之間的流動具有很高的相似性。

2）相同直徑吊扇間的風(fēng)速分布具有很好的對稱性。吊扇與吊扇間交界面區(qū)域內(nèi)的速度分布和吊扇與墻壁之間的速度分布相似，故可以將兩吊扇之間的交界面看成一堵虛擬的墻壁。另外，吊扇間斜向方向上的速度分布和吊扇與墻角間的速度分布也具有很高的相似性。

3）不同直徑吊扇間流場的交界面看成一堵虛擬的墻壁。值得指出的是，由于兩吊扇安裝高度，吊扇性能及轉(zhuǎn)速等情況不同，使得風(fēng)速交界面位置既不在吊扇連線中心面，也不在等無因次半徑界面。

4）引用格勞特紊動壁面射流理論對無遮擋情況下的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，得到在地面擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的速度u與距離r有很好的反比例關(guān)系，并且不同直徑吊扇地面擴(kuò)散區(qū)厚度與直徑也有一定關(guān)系。