陸 萍,吳大衛(wèi),沈曉麗,方 愷,何雨華,金 佳

(同濟大學 物理科學與工程學院, 上海 200092)

排風口葉片形狀對排風效率的影響研究

陸 萍,吳大衛(wèi),沈曉麗,方 愷,何雨華,金 佳

(同濟大學 物理科學與工程學院, 上海 200092)

為提高通風系統(tǒng)整體運行效率，采用CAD制圖技術設計了幾種不同形狀的排風口，制作出實物模型并應用這幾種不同形狀的排風口以及現(xiàn)有實驗設備進行了多次實驗，利用風速儀采集模擬空間內的風速數(shù)據(jù)，研究了排風設備排風口的形狀對排風效率的影響. 通過對實驗結果的對比和分析，得出了排風口形狀和排風效率的關系，并指出了提高通風系統(tǒng)整理效率的研究方向.

風洞實驗;排風系統(tǒng);CAD;實時測量；葉片形狀

同濟大學汽車風洞實驗室及建筑風洞實驗室承擔著科研與教學的雙重任務，一般只有科研或者高年級相關專業(yè)學生才能有機會接觸. 在物理實驗中，通常會利用“空氣動力儀”完成空氣阻力的測量實驗及驗證伯努利方程等實驗項目.

近年來，隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，城市內建筑的復雜程度也隨之提高，在密度較高的現(xiàn)代建筑中，對于排風設備的要求也越高. 在生活生產中不可避免地需要身處于室內風環(huán)境中，必須有效地將室內與室外的空氣環(huán)境連接起來. 如果排風系統(tǒng)不能起有效作用，那么人們的生活環(huán)境、身體健康都會受到損害. 工業(yè)生產中，如果沒有排風系統(tǒng)，那么工作效率也會受到影響，甚至會出現(xiàn)安全隱患，比較典型的生產環(huán)境有礦井、車間、廚房等，由于排風系統(tǒng)的缺乏或者不完善造成的事故實在是數(shù)不勝數(shù)，這種易產生浮塵顆粒的環(huán)境很容易達到爆炸極限，遇到明火慘劇瞬間就會發(fā)生. 因此室內排風的問題也逐漸受到人們的重視.

排風是改善空氣條件的一種方法，它包括從室內排出污濁空氣和向室內補充新鮮空氣2個方面. 前者稱為排風，后者稱為送風，為實現(xiàn)排風送風所采用的一系列設備、裝置的總體稱為排風系統(tǒng). 此外，排風設備在其他科學領域也都有十分廣泛的應用，比如實驗室、醫(yī)院、冶煉廠等. 排風設備的效率高低直接影響到人們的生產效率和生活質量.

1 實驗基礎及構思

1.1 風洞實驗

本實驗應用直流式低速風洞. 風洞之所以被廣泛應用于解決空氣動力學的問題，是因為它有很多優(yōu)點：首先，實驗可以在室內條件下進行，可以避免大氣環(huán)境變化的影響. 其次，與其他實驗相比，風洞實驗的經濟成本也低了許多，而且隨著實驗效率的不斷提高，成本還可以下降. 除此之外，測試儀器和實驗模型的安裝、操作和使用都十分方便. 最重要的一點是，實驗中風速、溫度、壓力、密度等都可以獨立變化，提高了實驗的可行性，縮小了實驗數(shù)據(jù)的誤差. 實驗條件也易于控制，保證了實驗過程中的安全性.

1.2 排風系統(tǒng)實驗構思

“建筑能耗在社會總能耗所占的比率已經達到30%左右，是能源消耗的主要形式之一，用于暖通空調的能耗又約占85%，而空調運行能耗的35%～45%為風機水泵能耗. 國產通風機的效率一般在85%以上，但在實際工程運行中，通風系統(tǒng)整體效率普遍低下，平均只有30%～40%，最高也只有60%，仍有相當大的提升空間. 所以，提高通風系統(tǒng)整體效率具有重要的節(jié)能減排意義”[1].

可以導致通風系統(tǒng)效率降低的因素不僅數(shù)量繁多而且關系復雜，很明顯不是單獨某一方面因素所造成的，主要因素包括漏風和流經廢棄工作面、采空區(qū)而損失的風. 為了有效提高排風設備的效率，實驗選擇從改善排風口形狀的角度，嘗試改良出高效低能耗的優(yōu)化排風系統(tǒng). 本次實驗應用并改進了風洞設備，模擬了室內排風系統(tǒng)，并設計了已知通風效率較高的3種不同形狀的排風口，應用它們進行了多次測量實驗，通過監(jiān)測和記錄每次實驗下的風速，再經過數(shù)據(jù)的整理及分析計算得到了排風口最佳的形狀.

2 實驗儀器

本實驗儀器除風洞機外均用CAD軟件畫出模型后制作所得，主要包括以下幾部分：

1) 1 m×1 m×1 m的空心立方體. 兩側均有3×3個直徑為2 cm的圓孔(供測風計測量用). 空心立方體模擬室內房間環(huán)境.

2) 風速測量儀，德國德圖高精度熱敏式風速儀test0405-V1.

3) 直流式低速風洞，口徑大，可連續(xù)運轉，實驗段速度范圍為0～100 m/s.

4) 3種不同形狀的排風口：a.田字格葉片(風洞機自帶);b.水平型葉片;c.發(fā)散型葉片.

實驗裝置如圖1所示.

圖1 實驗裝置圖

3 實驗原理

3.1 通風原理

通風分為全面通風和局部通風2種. 全面通風是針對對整個房間進行通風換氣，把整個房間里面的有害物質濃度稀釋到衛(wèi)生標準的允許濃度以下. 局部通風是指為了使局部空間不受污濁空氣污染，利用局部氣流循環(huán)交換，以形成良好的的空氣環(huán)境.

3.2 直流式低速風洞

風洞是用來產生人造氣流(人造風)的管道. 在風洞中，風扇向右端鼓風而使空氣從左端外界進入風洞的穩(wěn)定段. 穩(wěn)定段的蜂窩器和阻尼網使氣流得到梳理與均勻，然后由收縮段使氣流得到加速而在實驗段中形成流動方向一致、速度均勻的穩(wěn)定氣流.

3.3 葉片角度選擇

出風口尺寸如圖2所示，計算許可角度θ. 假設側視圖(圖2)中兩葉片左端距離為

則最小角度θ滿足

θ=arctan 1.073 8=47°,

因此葉片傾斜角度β>α>47°.

實際實驗時使得α=55°,β=70°，并且將傾斜的葉片稍作平移，以取得更好的出風效果(圖3).

圖2 側視圖 圖3 葉片傾斜角度

4 實驗步驟

1)將空心立方體與風洞機進行連接，開啟風洞機，選擇合適的風速，以使風速儀有較明顯的讀數(shù)且不會使得空心立方體內壓力過大，產生危險. 插入風力測速儀確保連接緊密無風逃逸.

2)安裝好第一種形狀(田字格葉片)的排風口，開啟風洞機進行實驗，待風機運轉一定時間后，模擬環(huán)境內風速環(huán)境較為穩(wěn)定，此時用風力測速儀在空心立方體的兩側各9個孔洞的邊緣與中心位置測量18組風速數(shù)據(jù).

3)關閉風洞機，但不要改變風速旋鈕的位置.

4)分別更換其余2種形狀(水平型葉片、發(fā)散型葉片)的排風口，重復步驟2)和3).

5)控制無關變量進行多次實驗，以減小誤差.

6)關閉風洞，結束實驗.

7)整理并分析實驗數(shù)據(jù)，得出結論.

5 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理

1) 風機風速為1.06 m/s.

2) 空心立方體內各個記錄點風速數(shù)據(jù)如表1所示，其中加黑數(shù)據(jù)為出風口風速. 數(shù)據(jù)記錄點如圖4所示，A組9個數(shù)據(jù)點在中心平面上，B組9個數(shù)據(jù)點在靠左邊壁平面上. C組9個數(shù)據(jù)點平面與B組數(shù)據(jù)對稱靠右邊壁，對應點風速相同，因此只記錄一組靠壁平面數(shù)據(jù)點風速.

圖4 數(shù)據(jù)點位置圖

葉片類型v/(m·s-1)靠壁中心0．0650．1500．0150．1600．0650．045田字格0．0700．1000．0250．8200．8700．7950．0750．0950．0250．0850．1400．1050．1050．1750．1250．1450．2200．160水平型0．1000．1250．0851．0500．4100．4900．1000．0700．0500．1200．1100．1650．0800．0950．0550．1050．1250．135發(fā)散型0．1100．0950．0750．6200．4850．5150．0700．0800．0700．0750．1100．105

實驗測量結果如表2所示，其中加黑數(shù)據(jù)為出風口風能傳遞效率.

表2 3種形狀葉片的風能傳遞效率

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)作風能傳遞效率圖如圖5所示，其中橫縱坐標表示數(shù)據(jù)點位置，圓形面積代表風能傳遞效率的大小.

(a)靠壁平面風能傳遞效率

(b)中心平面風能傳遞效率圖5 風能傳遞效率圖

1) 實驗過程中發(fā)現(xiàn)出風口位置風速儀示數(shù)波動最小,靠壁處風速波動比較大，記錄數(shù)據(jù)時通過多次實驗略微縮小了波動范圍.

2) 田字格葉片在水平葉片的基礎上加了豎直葉片，交叉成田字型，風速波動變小，出風更加平穩(wěn)，但效率更低.

3) 發(fā)散型葉片在更短時間內使風傳遞到房間各個角落，較水平型葉片風速波動較為平緩，然而效率也更為低下.

4) 出風口風速：水平>田字>發(fā)散(可分析葉片形狀對出風量損失情況，損失大小:水平<田字<發(fā)散).

5) 在出風口平面上田字格葉片風速變化最小，出風最均勻(但是整個空間一起分析的話是發(fā)散型葉片出風最均勻：各點數(shù)據(jù)相差較小).

6) 在不考慮能耗情況下，發(fā)散式葉片可根據(jù)房間實際情況調整角度(如實驗中，55°和70°為最佳角度)達到最佳送風效果，可使如火車站、機場等大型共送場所得到最佳的用戶體驗.

7) 在不考慮出風穩(wěn)定性的情況下，水平型葉片效率最高，能耗最小，可應用如醫(yī)院、商場等大型場所.

6 結束語

本實驗借助風洞模擬了排風系統(tǒng)，經多次測量統(tǒng)計后得出了3種排風口對排風效率的影響程度. 風洞的巧妙利用是實驗成功的首要因素，實驗中的低速直流式風洞產生的風量均勻而且平穩(wěn)

可控制. 風洞設備的安全易操縱，簡化了實驗步驟，縮短了實驗時間. 根據(jù)已有資料來看，目前排風系統(tǒng)的效率最高也僅有60%，平均效率甚至更低，只在30%～40%之間，所以仍然有較大的提升空間，由于通過僅改變排風口形狀就可以有效提高效率增加收益，因此這一改良也擁有廣泛的商業(yè)前景. 在工程中，改變排風口的形狀對成本幾乎沒有影響，合適的排風口可以提高系統(tǒng)效率，降低能耗，節(jié)能減排，促進一系列的效益. 優(yōu)化改良排風系統(tǒng)意義重大. 在商業(yè)上提高經濟收益，而基于生活，則保證了人們的安全和健康，可謂是一舉兩得.

[1] 劉海，康寧. 某工程通風系統(tǒng)整體效率實驗研究[J]. 四川建材，2013，39(5)：237-239.

[2] 陳妙芳. 建筑設備[M]. 上海：同濟大學出版社,2009:201-202.

[3] 夏卿，錢仰德. 空氣阻力系數(shù)測試儀[J]. 物理實驗,2016,36(8):16-20.

[4] 馮禹,習爽,何雨華,等. 利用保羅機械阱探究囚禁粒子的動力學特性[J]. 物理實驗,2016,36(2):1-6.

[責任編輯：郭 偉]

Effects of air outlet shapes on ventilating efficiency

LU Ping, WU Da-wei, SHEN Xiao-li, FANG Kai, HE Yu-hua, JIN Jia

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To improve the efficiency of ventilating system, the effects of different air outlet shapes were investigated. By modifying and applying wind tunnels, the indoor winding environment was simulated. Applying CAD cartographic technique to design several shapes of air outlets, several air outlets were designed for multiple experiments, wind speed were collected using anemograph. Based on the results of the measurement, the relationship between air outlet shapes and ventilating efficiency was concluded. The result of this experiment indicated the direction of our future research on improving the efficiency of whole ventilating system.

wind tunnel test; ventilating system; CAD; real time measurement; blade shape

2016-05-26

陸 萍(1984-)，女，上海人，同濟大學物理科學與工程學院教師，從事物理實驗教學與管理工作.

O355

A

1005-4642(2017)06-0019-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文