王爽 亢燕銘

東華大學環(huán)境科學與工程學院

碰撞射流末端送風形式對室內氣流的影響

王爽 亢燕銘

東華大學環(huán)境科學與工程學院

通過CFD模擬研究了碰撞射流系統(tǒng)末端不同送風形式，對各送風形式下室內的速度場和溫度場的分析結果表明：典型工況條件下，在送風末端管壁處設置小開口以及百葉會使近地面擴散氣流速度明顯降低，可以降低冬季工況室內人員產生冷風感的風險。所有送風口形式均有下部空間溫度高于上部特征，可實現(xiàn)較高的送風能量利用效率。

碰撞射流送風末端冷風感風口形式

0引言

室內環(huán)境與人們的生活密切相關，據(jù)統(tǒng)計，成年人80%～90%時間是在室內度過的，如果室內通風不當就很容易讓人得“建筑病態(tài)綜合癥”（簡稱SBS）[1]。目前高大空間主要的熱風供暖方式為混合通風，但混合通風不僅供暖能效比較低[2～3]，而且夏季供冷時的節(jié)能性低于置換通風。置換通風利用氣流熱浮力原理將冷風以低速送入工作區(qū)，回風自房間頂部排出，從而提高工作區(qū)空氣質量和能源利用效率[2～3]，但置換通風無法應用于冬季供熱工況[4]。

碰撞射流通風（Impinging Jet Ventilation，IJV）[5]作為一種新型的通風方式結合了混合通風和置換通風的優(yōu)點。它主要是通過設置在房間內的噴口將高動量空氣在距地面一定高度處向下送到地面，氣流碰到地面后沿地面向四周擴散，從而形成一個近地面空氣擴散流場。該通風方式克服了置換通風無法冬季供熱的缺點[4]。

由于碰撞射流通風送風速度較高，送風口附近氣流容易使室內人員產生較強的吹風感。為解決該問題，本文將使用數(shù)值模擬的方法探討通過在送風末端加設開口百葉來降低送風口附近氣流速度的有效性。

1物理模型與數(shù)值模擬方法

本文研究大跨度空間不同送風末端對碰撞射流通風效果的影響。房間尺寸為：長×寬×高=16m×16m× 6m。模型高度方向定為Z方向，水平方向分別定為X和Y方向。立柱截面為正方形，尺寸為0.6m×0.6m。模擬過程中，僅在房間中心立柱四周敷設碰撞射流送風管道。管道緊貼立柱四壁安裝。送風口厚度為0.05m，送風口高度h=0.5m。分別在頂棚四個角落各設置1個尺寸為0.4m×0.4m的回風口。因為房間以中央立柱為中心呈對稱分布，故選取房間1/4部分進行模擬代替全尺寸模擬，模型兩面設置為對稱面，另兩面設置為墻面。其模擬效果與全尺寸模擬一致。對于工況2、3和4，在其風口附近管壁上設置三個矩形開口，尺寸為35cm×10cm，并對工況3和工況4的開口外加裝百葉，使百葉開度分別為30°和60°，模型如圖1所示。

圖1物理模型及典型平面分布圖

本文將所研究流體視為三維不可壓縮的連續(xù)流體，流體性質不發(fā)生變化。數(shù)值計算過程中采用二階迎風格式對控制方程進行離散化，選用標準k-ε湍流模型，并且采用SIMPLE算法求解離散方程。由于本文所研究的流場位于空調房間內，供熱時會受到由溫度差異而引起的浮升力的影響，因而采用Boussinesq假設。模擬中采用的氣流參數(shù)為，送風速度2m/s，送風溫差ΔT=10℃，通過數(shù)值模擬方法對徑向碰撞射流通風方式進行模擬。

2模擬結果與分析

2.1碰撞射流通風房間氣流分布特征

為研究碰撞射流通風系統(tǒng)室內氣流組織分布，選取房間中心縱剖面，對其速度矢量圖進行分析。

圖2房間中心縱剖面上的速度分布圖，由圖可得，氣流自送風口向下噴射至地面后，貼附地面水平擴散，在周圍空氣的卷吸作用下速度不斷降低，并最終使水平沖量消耗殆盡，擴散氣流在熱浮力作用下向上運動。工況1氣流沿地面擴散距離較長，近地面（Z= 0.1m附近）氣流主要為速度較高的水平擴散氣流。氣流在擴散末端開始上升。工況3氣流擴散距離較短，上升氣流與管壁開口處的漏風相混合使氣流熱浮力作用增強。房間右側在上升熱氣流和屋頂?shù)南陆道錃饬鞯淖饔孟滦纬身槙r針方向漩渦狀流動，近地面氣流以右側壁面回流為主，氣流速度較低。

圖2房間中心縱剖面上的速度分布圖

通過選取房間內中心縱剖面分別與Z=0.1m和Z=1.2m平面相交的水平線段L1、L2；房間Y=0m平面上距離送風口1m和3m處取兩條垂直線段L3、L4以研究室內氣流速度隨房間水平以及垂直方向的變化。各線段位置如圖1（a）所示。

圖3是Z=0.1m和Z=1.2m高度處速度水平分布曲線，由圖3（a）得，當管壁無開口時，工況1氣流擴散距離為6m，但其送風口附近氣流速度很高，距離送風口1m處風速高達1.6m/s，這會使人員產生強烈的吹風冷感。工況3擴散區(qū)內部氣流速度較小，雖不會使人產生強烈吹風感，但其氣流水平運動距離僅為2m，難以滿足大空間內部氣流組織需求。工況2、4風速沿X方向分布較為相似，氣流擴散距離為3.5～4m，其擴散區(qū)內部氣流最高速度為0.77m/s。與工況1相比。工況2和工況4氣流水平運動距離縮短了約30%，但擴散區(qū)內部氣流最大速度僅為工況1的50%，表明該工況在保證一定擴散距離的同時使擴散區(qū)內部氣流速度大幅下降，不會使人員產生吹風感。由圖3（b）可得，在距離地面1.2m高度處，受到上升熱氣流的作用各工況速度曲線均會產生一次速度突增現(xiàn)象，突變位置隨氣流擴散距離不同而各不相同。各工況突變值最大為0.5m/s。由于突變幅度較小，故不會使人產生較強的吹風感。

圖3 Z=0.1m和Z=1.2m高度處速度水平分布曲線

圖4距離風口1m和3m處速度垂直分布曲線

圖4為不同工況距離風口1m和3m處速度垂直分布曲線，由圖4（a）可得，距離送風口1m處，各工況近地面氣流速度較高，工況1速度最大，為0.88m/s。隨高度增加，各工況風速迅速衰減，至0.5m高度處降至最低值0.1m/s。工況2、3和4由于受到風管側壁開口漏風影響，使氣流熱浮力作用加強，其速度大小隨高度升高而緩慢增加，至4m高度后緩慢減小。工況1無該影響效果，其速度沿高度方向平穩(wěn)分布。觀察圖4（b）可得，距離送風口3m處。工況2、3和4氣流近地面速度較低沿高度方向速度穩(wěn)定分布，其中工況1在2m以下高度處風速僅為0.1m/s，速度過低不利于室內氣體流通。工況1近地面速度與圖4（a）一致，且沿高度方向氣流變化幅度較大，綜合分析圖4可得，在送風管道側壁設置開口百葉時，會明顯降低風口附近風速，減小該處人員吹風感，且會增強開口附近氣流流動效果，使溫度分布較為均勻。

2.2碰撞射流通風房間溫度分布特征

為研究碰撞射流通風系統(tǒng)室內溫度分布，同樣選取房間中心縱剖面，對其溫度分布圖進行分析。

圖5為房間中心縱剖面上平面上溫度分布圖，由圖可以看到，工況1氣流擴散距離較長，在擴散區(qū)內部氣流貼附地面運動，溫度垂直分層現(xiàn)象較弱，而在擴散區(qū)末端溫度分層現(xiàn)象較強，由于氣流擴散距離較遠，使整個平面溫度分布較均勻，平均溫度較高。工況3受管壁開口漏風影響，氣流沿地面擴散距離較近。擴散區(qū)內部溫度分層現(xiàn)象較不明顯。由于氣流未充分擴散，使送風口附近氣流溫度較高，而房間其他空間平均溫度較低。

圖5房間中心縱剖面上的溫度分布

同樣取水平線段L1、L2以及垂直線段L3和L4以研究溫度隨房間水平和垂直方向變化情況，曲線位置見圖1（a）所示。

圖6給出了各工況Z=0.1m和Z=1.2m高度處溫度水平分布情況。由圖6（a）可得不同工況擴散區(qū)內外溫差隨氣流擴散距離增加而減小，即擴散距離較遠，溫度分布較為均勻。工況1內外溫差為3.5℃，而工況3溫差達6.5℃。溫差過高會使人員出于交界區(qū)域時會有冷熱突變的不適感。由圖（b）可得，Z=1.2m高度處溫度變化幅度比Z=0.1m高度處平穩(wěn)，僅在各工況的擴散區(qū)末端處（即圖6（a）溫度突變位置）受上升熱氣流作用，溫度曲線會有略有升高，其溫度增幅受到側壁開口百葉的影響，但影響效果很小，不同工況之間溫度最大值的差別小于0.3℃。對于人體呼吸平面處人員舒適程度不會造成太大影響。

圖6 Z=0.1m和Z=1.2m高度處溫度水平分布曲線

圖7為不同工況距離風口1m和3m處溫度垂直分布曲線。由圖7（a）可知，距離送風口1m處時，各工況在近地面溫度迅速降低，而后保持穩(wěn)定。工況1、2和4在0.5m高度以內溫度迅速降至穩(wěn)定值，而工況3由于處于擴散區(qū)末端，受末端溫度分層效果加強的影響，溫度隨高度升高下降緩慢，至3m高度處才降至穩(wěn)定值。由圖7（b）可得，在距離送風口3m處，工況3處于擴散區(qū)外部，溫度始終維持較低水平；工況2和工況4處于擴散區(qū)末端，近地面溫度降幅較緩慢。工況1曲線分布與圖7（a）相似。綜合分析圖7可得，與其他供暖方式相比，碰撞射流通風供暖時，會使擴散區(qū)內部，尤其是擴散區(qū)末端溫度分布呈現(xiàn)下高上低的狀態(tài)，使溫暖的新風分布于人員工作區(qū)域中，并且會使人體感覺到“腳暖頭涼”的舒適感覺，對于供暖效果有加強作用。

圖7距離風口1m和3m處溫度垂直分布曲線

3結論

通過對上述模擬結果的分析，可得到如下結論：

1）碰撞射流通風管壁側設置開口以及百葉時可以低近地面處氣流速度，以減小風口附近人員的吹風感，增強舒適性。雖然同時會減小氣流擴散距離，但問題可以通過增設送風口解決。本文模擬的四種情況表明，工況2為最佳選擇，即保證一定擴散距離的同時大幅降低了氣流沿地面運動速度。

2）從溫度模擬中可得，碰撞射流通風在擴散區(qū)內呈現(xiàn)房間下部溫度較高而上部溫度較低的分布形式，使房間下部供暖效果增強，能源利用效率提高。

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The Influe nc e on Indoor Air w ith Diffe re nt Type s of Air Outle ts

WANG Shuang,KANG Yan-ming
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Different air jet system outlets are studied by CFD simulation.Analysis of results of the velocity field and temperature field conditions showed that setting louvers and small openings near the ends of the outlet will lower the air distribution distance as well as the distribution velocity under typical operating conditions,so indoor people will not feel cold by the wind.All conditions are characterized by a lower space temperature is higher than the upper part,which can achieve high energy efficiency air supply.

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1003-0344（2014）05-019-4

2013-7-5

王爽（1987～），男，碩士研究生；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學環(huán)境學院5135（201620）；021-67792554；

E-mail:leowangvscq@163.com

國家自然科學基金資助項目（40975093）