張川 端木琳 高南

風(fēng)口擾動(dòng)對(duì)出風(fēng)頻譜特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

張川1端木琳2高南3

1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所
2大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部
3大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院

研究具有與自然風(fēng)波動(dòng)特性相同的機(jī)械風(fēng)是近年來(lái)建筑環(huán)境學(xué)中的熱門課題，本文利用自由剪切流中展現(xiàn)渦對(duì)流向速度的影響，提出了一種利用自由剪切流制造具有1/f紊動(dòng)特性仿自然風(fēng)的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，自由剪切流混合層在低頻區(qū)上的流向風(fēng)速具有與自然風(fēng)類似的1/f紊動(dòng)特性，利用自由剪切流模擬自然風(fēng)的方案是可行的。同時(shí)通過(guò)改變其中兩股平行流速度梯度、主動(dòng)擾動(dòng)、被動(dòng)擾動(dòng)的方式可以調(diào)節(jié)風(fēng)速波動(dòng)在低頻區(qū)的功率譜指數(shù)，提供了利用低能耗方法制造仿自然風(fēng)，改善空調(diào)舒適性的新思路。

仿自然風(fēng)自由剪切流功率譜密度

0 引言

氣流紊動(dòng)物理結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律以及氣流紊動(dòng)特性對(duì)熱舒適性的影響是近代建筑環(huán)境學(xué)領(lǐng)域中重要的研究課題。與同樣速度的機(jī)械風(fēng)相比，自然風(fēng)更容易給人以舒適的感覺(jué)，這說(shuō)明吹風(fēng)對(duì)人體熱舒適性的影響不僅與風(fēng)速的平均水平有關(guān)，還與風(fēng)速的波動(dòng)情況有關(guān)[1]；研究風(fēng)速波動(dòng)時(shí)頻譜分析是常用的方法，雙對(duì)數(shù)功率譜密度曲線上的功率譜指數(shù)是表征風(fēng)速波動(dòng)能量分布的重要參數(shù)，也是最終衡量機(jī)械制造的風(fēng)場(chǎng)與自然風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是否相似的主要指標(biāo)，一般認(rèn)為在人體有感的風(fēng)速域內(nèi)，自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)的功率譜指數(shù)β分界點(diǎn)在1.0～1.1左右[2～4]。

風(fēng)場(chǎng)在時(shí)間上的脈動(dòng)和湍流息息相關(guān)。湍流是自然界中常見(jiàn)的流動(dòng)，湍流脈動(dòng)并非完全不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而是在不規(guī)則脈動(dòng)中包含可辨認(rèn)的有序大尺度運(yùn)動(dòng)。大尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)展決定了流場(chǎng)中脈動(dòng)在時(shí)間上的分布。湍流中存在有序結(jié)構(gòu)最重要的應(yīng)用在于可以通過(guò)干擾這種大尺度結(jié)構(gòu)來(lái)控制湍流，從而形成具有不同頻譜的流場(chǎng)。本文的目的就是形成不同特性的流場(chǎng)，最終目標(biāo)是根據(jù)這些特性設(shè)計(jì)出效果好、耗能低的舒適性送風(fēng)裝置[5～6]。以常見(jiàn)的自由剪切湍流來(lái)說(shuō)，主要是可以破壞或加強(qiáng)展向渦結(jié)構(gòu)，改變湍流的性質(zhì)，對(duì)于本文來(lái)說(shuō)就是改變了流向上的速度時(shí)間序列，從而改變出風(fēng)的頻譜特性，模擬自然風(fēng)[7～8]。

綜上所述，本文希望通過(guò)對(duì)自由剪切流的研究，探究制造具有1/f紊動(dòng)特性出風(fēng)的新方法，探究不同擾動(dòng)條件對(duì)功率譜指數(shù)β的影響，為探究不同功率譜指數(shù)β出風(fēng)對(duì)人體舒適性影響提供穩(wěn)定的送風(fēng)源[9～11]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

圖1所示的整體系統(tǒng)圖簡(jiǎn)明表示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的情況，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)風(fēng)模塊、整流模塊、控制模塊、測(cè)試模塊四大模塊組成：進(jìn)風(fēng)模塊主要是兩個(gè)配有變頻器的離心式風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量約為1500m3/h，變頻器用來(lái)變化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變出風(fēng)量，獲得不同的速度梯度；整流模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主體部分，其作用是產(chǎn)生自由剪切流，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)上下分隔的整流風(fēng)洞，整個(gè)風(fēng)洞分為擴(kuò)散段、均勻度、收縮段三部分，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的出風(fēng)速度最大定在2.5m/s左右。其中出風(fēng)口的尺寸為0.4m× 0.25m，其中0.4m是風(fēng)洞兩個(gè)側(cè)板之間的距離，0.25m是單股平面平行流動(dòng)的高度；擾動(dòng)模塊的主要作用是破壞展向渦結(jié)構(gòu)，以改變流向上出風(fēng)的頻譜特性；測(cè)試模塊主要由熱線風(fēng)速儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)三部分構(gòu)成。

圖1 實(shí)驗(yàn)整體系統(tǒng)圖

本實(shí)驗(yàn)采用的熱線風(fēng)速儀是航華CTA-02A型多通道熱線風(fēng)速儀，熱線探針直徑5μm，長(zhǎng)度1.5mm。探頭被安裝在一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的3維坐標(biāo)架上，其位移精度為0.05mm。實(shí)驗(yàn)前首先在不同風(fēng)速下標(biāo)定熱線風(fēng)速儀，得到風(fēng)速與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中：v表示測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；u表示熱線風(fēng)速儀的輸出電壓，V。

本文探究了三種改變流場(chǎng)特性的流動(dòng)控制方法。第一種為被動(dòng)控制方法，一個(gè)風(fēng)道流速保持不變，另一個(gè)流道可變流速，這樣通過(guò)改變速度比的方法在風(fēng)洞出口形成不同速度梯度的剪切層。第二種也為被動(dòng)控制方法，在上下風(fēng)道風(fēng)速比不變的條件下，在流場(chǎng)出口加入不同的三角形鋸齒擾流片。鋸齒會(huì)形成流向渦擾動(dòng)流場(chǎng)，擾流片長(zhǎng)40cm，寬3cm。一共使用三組擾流片，尺間距分別為1cm、2cm、3cm，如圖3所示。第三種控制方法為主動(dòng)開(kāi)環(huán)控制，一組Arduino單板機(jī)發(fā)出指令給伺服電機(jī)，電機(jī)以不同頻率搖動(dòng)矩形擾流片。擾流片長(zhǎng)40cm，寬3cm，安裝在風(fēng)洞出口，如圖1所示，擾流片運(yùn)動(dòng)振幅為5°。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)（單位：m）

圖3 主、被動(dòng)擾動(dòng)自由剪切流示意圖

整流風(fēng)洞搭建完成后進(jìn)行了風(fēng)洞出口流場(chǎng)均勻性的測(cè)量。結(jié)果顯示，在分隔鋁板上下15cm的范圍內(nèi)速度的平均值變化在5%以內(nèi)，最大湍流度在0.1左右，誤差屬于可接受范圍。

考慮風(fēng)洞的出風(fēng)速度不大，因此測(cè)點(diǎn)均勻布置在距離風(fēng)洞出口1m以內(nèi)，分別距離風(fēng)口10cm，30cm， 50cm，70cm，90cm處，這是測(cè)點(diǎn)在流向上的位置；在展向上，理論上速度場(chǎng)是均勻的，測(cè)點(diǎn)可以選取在流場(chǎng)內(nèi)的任意位置，實(shí)際上靠近邊界的部分可能受邊界條件影響，因此將測(cè)點(diǎn)選取在流動(dòng)展向的正中央，距離左右側(cè)板分別20cm；在法向上，要保證測(cè)點(diǎn)在自由剪切流的混合層內(nèi)，自由剪切流的混合層厚度是隨著流動(dòng)的發(fā)展而變化的[4]，但無(wú)論怎樣，兩股平面平行流動(dòng)的交線始終在混合層內(nèi)，因此在法向上始終保持測(cè)點(diǎn)與分隔鋼板同一高度，保證測(cè)點(diǎn)始終在混合層內(nèi)。這樣就可以確定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱線探針的三維坐標(biāo)位置了，其初始位置如圖4所示——距離風(fēng)口10cm、位于流動(dòng)展向的正中央、與分割鋼板在同一高度，其中箭頭所指為熱線探針。

圖4 熱線探針初始位置示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱線探針通過(guò)支架固定在三維坐標(biāo)架上，通過(guò)三維坐標(biāo)架控制程序來(lái)控制熱線探針的位置變化。在某種確定條件下，測(cè)點(diǎn)熱線探針位于初始位置時(shí)，對(duì)該點(diǎn)的風(fēng)速信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后，程序控制熱線探針移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)——距離風(fēng)口30cm、位于流動(dòng)展向的正中央、與分割鋼板在同一高度處，進(jìn)行該點(diǎn)處風(fēng)速時(shí)間序列的采樣，這樣依次進(jìn)行50cm、70cm、90cm處測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速采樣，采樣完成之后，熱線探針重新回到初始位置，進(jìn)行下一種條件下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速采樣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，得到的是五個(gè)測(cè)點(diǎn)在既定采樣頻率下具有每組采樣數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)風(fēng)速時(shí)間序列X(t)：

式中：N表示每組采樣數(shù)。

數(shù)據(jù)處理時(shí)首先對(duì)多組數(shù)據(jù)求平均值以減小相對(duì)誤差，然后把風(fēng)速時(shí)間序列中的每個(gè)元素減去平均值得到風(fēng)速波動(dòng)值的時(shí)間序列。用傅里葉變換的方法把時(shí)域上速度波動(dòng)的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為頻域上具有不同頻率和振幅的波動(dòng)Y(f)：

式中：fs表示采樣頻率；N表示每組采樣數(shù)；an+bni是能表示第n個(gè)頻率對(duì)應(yīng)波動(dòng)振幅及相位信息的復(fù)數(shù)。需要注意，根據(jù)采樣定理以fs的采樣頻率采樣時(shí)只能真實(shí)還原fs/2頻率以下波動(dòng)。

相應(yīng)點(diǎn)的功率譜密度E可以表示為：

式中：n=0,1,2,…,N-1；X(n)表示風(fēng)速時(shí)間序列X(t)的快速傅里葉變換；△t表示采樣時(shí)間間隔，其隨f的變化情況即為所需的功率譜密度函數(shù)。

圖5是無(wú)擾動(dòng)條件下，距離風(fēng)口10cm處速度頻譜分布圖。當(dāng)沒(méi)有速度梯度的時(shí)候，在各個(gè)頻率上的波動(dòng)分量近似相同，低頻區(qū)的功率譜密度曲線近似水平直線。當(dāng)下流道速度減小，即速度梯度增大以后，低頻率的波動(dòng)分量更加明顯，同時(shí)在功率譜密度曲線上表現(xiàn)出與無(wú)擾動(dòng)機(jī)械風(fēng)完全不同的頻譜特性。隨著速度梯度的加大，其功率譜指數(shù)β逐漸增大。

圖5 無(wú)擾動(dòng)條件下兩流道距離風(fēng)口100mm處速度頻譜分布圖

被動(dòng)擾動(dòng)的主要方法是通過(guò)在出風(fēng)口的隔板上安裝鋸齒狀的細(xì)長(zhǎng)木條，使木條與隔板成45°，向高速一側(cè)傾斜，干擾兩股平面平行流動(dòng)的混合過(guò)程，改變出風(fēng)的頻譜特性。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種不同長(zhǎng)木條對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)效果基本是一樣的。圖6所示的是使用了間距為20mm的擾流片的結(jié)果（上流道2.4m/s，下流道1.2m/s）。被動(dòng)擾動(dòng)對(duì)流場(chǎng)最直接的影響就是加速了波動(dòng)能量在低頻區(qū)的衰減速度，從而增大了低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β。由于鋸齒狀木條的存在加速了與低頻波動(dòng)相對(duì)應(yīng)展向大渦的破碎，從而使風(fēng)速波動(dòng)在低頻區(qū)表現(xiàn)出較快的衰減；但不同尺度鋸齒狀木條對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)沒(méi)有出現(xiàn)差異，應(yīng)該是因?yàn)椴煌叨鹊匿忼X對(duì)展現(xiàn)渦的破壞作用是相同的，并沒(méi)有發(fā)生預(yù)想差異。

圖6 距離風(fēng)口100mm風(fēng)速功率譜密度曲線

主動(dòng)擾動(dòng)是在出風(fēng)口的隔板上安裝細(xì)長(zhǎng)的木條，木條以不同頻率擺動(dòng)時(shí)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速特性的變化。圖7給出了木條以1Hz、3Hz、5Hz頻率擺動(dòng)時(shí)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的低頻特性。從圖中可以看出，由于木條的周期性擺動(dòng)使得測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速波動(dòng)出現(xiàn)明顯的周期性，并且風(fēng)速波動(dòng)變化的頻率與木條的擺動(dòng)頻率十分接近；在頻域上，木條擺動(dòng)頻率附近的頻譜具有明顯的突起。因此，主動(dòng)擾動(dòng)給風(fēng)速特性帶來(lái)的最大變化是增強(qiáng)了風(fēng)速波動(dòng)的規(guī)律性。在風(fēng)速的雙對(duì)數(shù)功率譜密度曲線上也能明顯地看去由于主動(dòng)干擾木條的周期性擺動(dòng)，使頻率在木條擺動(dòng)頻率左右的波動(dòng)能量明顯增加，這種能量分布變化最直接的結(jié)果就是引起低頻區(qū)功率譜指數(shù)β的變化，以1Hz的主動(dòng)擾動(dòng)為例：在沒(méi)有主動(dòng)擾動(dòng)的情況下，波動(dòng)能量在1Hz左右已經(jīng)開(kāi)始衰減，使功率譜密度曲線具有負(fù)斜率，出風(fēng)具有自然風(fēng)1/f的紊動(dòng)特性；存在1Hz主動(dòng)擾動(dòng)的情況下，由于在1Hz上的波動(dòng)能量增加，使得1Hz之前的功率譜密度曲線一直保持水平，波動(dòng)能量的衰減主要發(fā)生在1Hz之后。這就意味著，某種頻率的主動(dòng)擾動(dòng)可以增加功率譜密度曲線上相應(yīng)頻率的能量，從而改變功率譜指數(shù)β，達(dá)到調(diào)控功率譜密度曲線斜率的目的。

需要說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)的三組主動(dòng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)最終都減小了低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β或者說(shuō)增大了波動(dòng)能量開(kāi)始衰減時(shí)的頻率，使出風(fēng)頻譜特性向著接近機(jī)械風(fēng)的方向發(fā)展，這是由于設(shè)計(jì)的擾動(dòng)頻率均大于無(wú)擾動(dòng)情況下波動(dòng)能量開(kāi)始衰減時(shí)的頻率，故擾動(dòng)的存在相當(dāng)于減緩了能量的衰減速度，如果擾動(dòng)頻率小于無(wú)擾動(dòng)情況下波動(dòng)能量開(kāi)始衰減時(shí)的頻率，就會(huì)增加波動(dòng)能量在較小頻率上的分量，相當(dāng)于加快能量的衰減速度，使低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β增大。

圖7 主動(dòng)擾動(dòng)風(fēng)速功率譜密度曲線

表1更全面地對(duì)各組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，其中β1，β2，β3，β4，β5分別代表確定實(shí)驗(yàn)條件下10cm、30cm、50cm、70cm、90cm處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)雙對(duì)數(shù)功率譜密度圖上的功率譜指數(shù)，A、B、C鋸齒的形狀如前所示。

綜合上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出下面幾個(gè)規(guī)律：

1）確定條件下的單組實(shí)驗(yàn)，在本文設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的波動(dòng)特性基本相同，雙對(duì)數(shù)功率譜密度圖上的功率譜指數(shù)基本不發(fā)生變化；

2）無(wú)擾動(dòng)機(jī)械風(fēng)在低頻區(qū)的功率譜密度曲線近似水平直線，屬于典型的白噪；

3）具有速度梯度的兩股平面平行流動(dòng)混合時(shí)，在混合層中的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)特性具有自然風(fēng)類似的性質(zhì)，并且功率譜指數(shù)的大小與速度梯度的大小有關(guān)，速度梯度越大，功率譜指數(shù)越大；

4）主動(dòng)擾動(dòng)可以使測(cè)點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)出現(xiàn)明顯的周期性，改變波動(dòng)能量在頻域上的分布，增加擾動(dòng)頻率附近的波動(dòng)能量，使波動(dòng)能量衰減發(fā)生在擾動(dòng)頻率之后，而在擾動(dòng)頻率之前的功率譜密度曲線近似水平，具有與機(jī)械風(fēng)類似的特性；

5）被動(dòng)擾動(dòng)能夠加速了波動(dòng)能量在低頻區(qū)的衰減速度，增大了低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β，但就本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，不同尺度的鋸齒擾動(dòng)對(duì)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速波動(dòng)的影響是相同的，并沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)想的差異。

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié)論與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在兩股速度不同的平行流所形成的自由剪切流混合層中，流向上的風(fēng)速的確具有與自然風(fēng)類似的1/f紊動(dòng)特性，利用自由剪切流模擬自然風(fēng)的方案是可行的。自由剪切流中兩股平行流的速度梯度可以影響風(fēng)速信號(hào)在低頻區(qū)上的功率譜指數(shù)，速度梯度越大，功率譜指數(shù)越大，據(jù)此可以調(diào)節(jié)風(fēng)速信號(hào)在低頻區(qū)的功率譜指數(shù)；主動(dòng)擾動(dòng)（擺動(dòng)性質(zhì)）會(huì)使功率譜指數(shù)出現(xiàn)分段特性，在小于擾動(dòng)頻率的區(qū)間上表現(xiàn)白噪的特性，大于擾動(dòng)頻率的區(qū)間上表現(xiàn)粉噪的特性；被動(dòng)擾動(dòng)（破壞展向渦）能夠加速波動(dòng)能量在低頻區(qū)的衰減，增大功率譜指數(shù)，但不同尺度的破壞對(duì)功率譜指數(shù)的衰減速度沒(méi)有差異。

利用本文的研究結(jié)論，可以設(shè)計(jì)出基于自由剪切流的新型風(fēng)口，使風(fēng)口出風(fēng)具有與自然風(fēng)類似的頻譜特性，并通過(guò)上述三種方式調(diào)節(jié)出風(fēng)的頻譜特性，達(dá)到以低能耗方法制造仿自然風(fēng)，改善空調(diào)熱舒適性的目的。

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Expe rim e nta l Study of Influe nc e on Airflow Fluc tua tion Cha ra c te ris tic by Pe rturba tion a t Air Outle t

ZHANG Chuan1,DUANMU Lin2,GAO Nan3
1 Institution of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong University
2 Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
3 School of Aeronautics and Astronautics,Dalian University of Technology

This paper raises a new method to produce mechanical wind with 1/f fluctuation using free shear flow.By experimental results,in the mixing layer of free shear flow,velocity of flow direction has same fluctuation characteristic with natural wind in the frequency region sensitive to human sensation.It signifies the possibility of simulate natural wind with free shear flow.With change of velocity gradient,perturbation active and passive,power spectrum exponent varies.Such,it provides a new approach to produce“natural wind”with low energy consumption.

natural wind,free shear flow,power spectrum density

1003-0344（2014）06-006-5

2013-9-22

張川（1990～），男，碩士研究生；上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)中意綠色能源樓208室（200240）；E-mail:liumengwuhen@sjtu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51078052）