鄭文亨， 劉加平， 王 怡

（1.桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院，廣西 桂林541004；2.西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安710055）

0 引 言

對于傳統(tǒng)的局部排風裝置，一般都是采用吸入氣流捕捉、控制污染氣流，因此抽吸、排出的任務都是由吸入氣流來承擔，它只能在各種限制的安裝條件下才能實現(xiàn)。同時，在排風罩口前方吸入的氣流（控制風速）是急劇下降的，在離罩口不遠處就失去了控制能力。單純地依靠吸入氣流去抽吸全部污染空氣時，必要的排風量會隨著排風罩口到污染源距離的增大而顯著增加，排風罩的尺寸也要相應增大，這是很不經(jīng)濟的，使用起來也是比較困難。在吹吸式通風中，吹出氣流和吸入氣流相反，在吹出口前方氣流流速的衰減較慢，它的捕捉、控制能力，尤其是輸送能力是非常優(yōu)越的。把吹出氣流和吸入氣流組合在一起協(xié)同工作，就可以彌補上述的缺點，這就是吹吸式通風，即在吸入口對面設置吹風口構成吹吸氣流，用它去誘導、控制污染氣流［1］。

關于吹吸式通風的研究可以追溯到20世紀40年代。1945年，Malin第一個提出了吹吸式通風可節(jié)約50%風量（與側邊排氣罩相比）［2］。到目前為止，已有一些專家學者對吹吸式通風進行了實驗和數(shù)值模擬研究［3－11］，但現(xiàn)有的研究多集中在敞口槽吹吸式通風上，對于均勻流吹吸式通風技術的研究尚有欠缺，尤其是對于吹吸氣流的機理和規(guī)律性的認識顯得非常缺乏。目前，對吹吸式通風已有的研究仍難以回答或解決均勻流吹吸式通風項目在實際工程應用所存在的疑慮或出現(xiàn)的問題，無法滿足實際工程發(fā)展的需要。

本課題設計了均勻流吹吸式通風系統(tǒng)（接近工程實際），通過實驗測試研究吹吸式氣流軸心速度變化規(guī)律，并根據(jù)實驗結果對理論分析得到的表達式進行驗證。

1 吹吸式氣流軸心速度控制方程

吹吸式通風示意圖如圖1所示。吹吸式通風的氣流流場內(nèi)各點的軸向流速，是由吹出氣流和吸風口匯流共同作用，并疊加而成的［11］，滿足如下關系式

式中um：吹吸氣流中距吹風口x處的軸向流速，m／s；um1：當吸氣口不吸風時，吹出射流中距吹風口x處的軸向流速，m／s；um3：當吹風口不吹風時，吸口匯流中距吹風口x處的軸向流速，m／s。

對于大吹風口均勻流吹吸式通風系統(tǒng)，吹風口為矩形，因此從吹風口出來的射流為三維紊動射流。由于三維射流是非常復雜的，目前并未有一確定的數(shù)學模型描述其流動特性。因此，在分析大吹風口均勻流吹吸式氣流時，為了使問題得以簡化，假設大吹風口的特征比e≈1（e＝d1／h，d1為吹風口寬度，h為吹風口高度）。對于特征比e≈1的孔口，沿軸向的速度分布幾乎與軸對稱孔口（圓形孔口）情形完全相同［12］，即，當吸氣口不吸風時，吹出射流中距吹風口x處的軸向流速um1滿足下式

圖1 吹吸式通風示意圖Fig.1 Schematic diagram of push－pull ventilation

式中D1——吹風口當量直徑，m；

uc——吹風口出口氣流流速，m／s；

c——常數(shù)，與風口形式有關。

當吹風口不吹風時，吸口匯流中距吹風口x處的軸向流速滿足下式［13］

式中——吸風口處軸向流速，m／s；

F——吸風口面積，m2；

L——吹吸風口之間距離，m。

把式（2）、式（3）代入式（1）得

上式為吹吸氣流軸向流速變化規(guī)律（主要針對高速流場的吹吸式通風，吹風速度通常高達10m／s），其中，x＞l（l為紊動射流起始段長度）。

2 實驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗設備及測點布置

2.1.1 實驗設備

吹吸式通風系統(tǒng)實驗裝置如圖2所示。吹吸式通風系統(tǒng)主要構成有：空調(diào)機組、排風機（排風量為9200m3／h）、吹風口（1m×1m）及其導流板、靜壓箱、吸風口（1m×1m）、吸風口擋板（1.5m×2m）和送、排風管等。其中，吹風口為均勻流吹風口，它的靜壓箱和送風管之間采用軟管連接，這樣在實驗時可以改變吹風口和吸風口的間距，以便測試不同吹、吸風口間距時的吹吸氣流流場。實驗時，通過調(diào)整軟管的位置來改變吹吸風口間距，分別測出吹吸風口間距為3.5m和3.8m時的吹吸氣流流場。測試儀器為SwermaAir300微風速儀和testo 405－v1風速儀。

圖2 吹吸式通風實驗裝置Fig.2 Experimental facility of push－pull ventilation

2.1.2 測點布置

測試斷面上測點布置如圖3所示，從吹吸風口的中心軸開始，在橫向方向上，每隔0.25m取一個斷面，在縱向方向，從中心軸開始沿兩個方向每隔0.1m確定一個測點，沿著縱向方向一直往外測，直到流場外為止。

圖3 測點布置示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of measure point（unit：mm）

2.2 實驗結果分析

2.2.1 軸心速度實驗

圖4是吹吸風口間距分別為3.5m和3.8m時實測的吹吸式氣流軸心速度。從圖中可以看出，當氣流處于射流段時，氣流流速基本保持不變，即吹吸氣流的射流段為起始段，無主體段存在；當氣流進入?yún)R流段后，在吸氣氣流作用下，氣流流速迅速增大。

2.2.2 實驗數(shù)據(jù)擬合

由于射流段為起始段，無主體段存在，因此，根據(jù)實驗測出的數(shù)據(jù)，分別擬合出吹吸風口間距3.5m和3.8m時匯流段軸向流速隨x的變化曲線，如圖5所示。在擬合過程中，定義式（4）為擬合函數(shù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)曲線形狀，嘗試用不同的風口相關系數(shù)c的值進行擬合。通過比較各自的擬合結果，確定最逼近實驗曲線的擬合曲線，將表達式作為軸向流速變化的函數(shù)式，并確定風口相關系數(shù)c的值。

圖5中軸向流速擬合曲線表達式如表1所示。從表中可以看出，在匯流段中，吹吸氣流軸向流速按式（4）進行擬合時，擬合曲線與實驗結果差值較大。

表1 軸向流速擬合曲線的相應表達式Table 1 Corresponding expression of axial velocity curve fitting

3 軸心速度實驗與理論值分析

圖6是吹吸風口間距分別為3.5m和3.8m時利用式（4）計算得到的匯流段軸向流速值和實驗測出的匯流段軸向流速值之間對比。在利用式（4）計算吹吸式氣流軸心速度時，取c＝0.114［14］。從圖中可以看出，實驗測出的值和利用式（4）計算得到的值兩者之間變化趨勢不一致，并且兩者之間的差值也比較大。這是由于式（4）是描述高速流場（吹出氣流流速10m／s左右）軸心速度變化規(guī)律；本課題的實驗系統(tǒng)（均勻流吹吸式通風系統(tǒng)）吹出氣流流速低（低于1m／s），遠低于高速流場吹吸式通風。因此，傳統(tǒng)的高速流場吹吸式通風軸心速度經(jīng)驗公式不適用于均勻流吹吸式通風系統(tǒng)。此外，根據(jù)實驗測出的均勻流吹風口系數(shù)約為0.3，與文獻［14］給出的值差別較大，這是由于均勻流吹風口能夠使出風氣流均勻分布，而文獻［14］為普通的吹風口（出風氣流并非是均勻分布）。

4 結 論

根據(jù)上述討論，可以得到以下幾點結論：

（1）傳統(tǒng)的高速流場吹吸式通風氣流軸心速度的經(jīng)驗公式并不適用于均勻流吹吸式通風系統(tǒng)；均勻流吹吸式通風氣流軸心速度有其自身規(guī)律特性。

（2）對于均勻流吹吸式通風系統(tǒng)，吹風口的風口系數(shù)c的值約為0.3，與文獻［14］給定的風口系數(shù)c值（0.114）差異較大。

（3）當吹吸風口間距分小于3.8m時，從吹風口出來的吹風射流在射流起始段還未結束就進入了匯流段，即吹吸氣流中無射流主體段存在。

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