蘇凱 樊越勝 李哲然 臧子陽(yáng) 白思卓

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑的舒適性、節(jié)能性越來(lái)越受到更多人的重視。在一些商業(yè)高大空間，工業(yè)車(chē)間，辦公室隔間等特殊空間，人們往往需要固定姿勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間的工作，且工作環(huán)境可能是高溫或者低溫的環(huán)境，這對(duì)送風(fēng)的舒適度提出了更高的要求[1]。

本文提出了一種新型環(huán)形送風(fēng)口，其外觀為環(huán)形，出風(fēng)口設(shè)置在環(huán)形空腔內(nèi)沿上，工作時(shí)，氣流通過(guò)進(jìn)風(fēng)通道進(jìn)入環(huán)形空腔，再由出風(fēng)口狹縫射出，氣流在射出時(shí)會(huì)卷帶環(huán)形內(nèi)空氣一起送出。本文通過(guò)CFD數(shù)值模擬，對(duì)環(huán)形風(fēng)口的速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)及卷吸規(guī)律進(jìn)行研究，為環(huán)形風(fēng)口的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 環(huán)形風(fēng)口的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 環(huán)形風(fēng)口模型的建立

為得到正確的數(shù)值模型及模擬條件，建立無(wú)葉風(fēng)扇原尺寸模型，通過(guò)儀器測(cè)量得到環(huán)形風(fēng)腔的截面尺寸，環(huán)形出風(fēng)口空腔截面如圖1 所示。

考慮到環(huán)形風(fēng)口在空調(diào)系統(tǒng)中的使用及安裝，經(jīng)過(guò)模型改良設(shè)計(jì)出環(huán)形風(fēng)口頂送風(fēng)模型如圖2 所示。

圖1 環(huán)形出風(fēng)口空腔截面圖

圖2 環(huán)形風(fēng)口頂送風(fēng)模型

1.2 環(huán)形風(fēng)口數(shù)值模擬

環(huán)形風(fēng)口的網(wǎng)格處理主要采用CFD 前處理軟件Gambit 完成，在網(wǎng)格劃分時(shí)，針對(duì)各部分特征要求給與不同網(wǎng)格類(lèi)型以不同的節(jié)點(diǎn)尺寸，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則且簡(jiǎn)單的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將網(wǎng)格區(qū)域劃分為近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，能保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)減少網(wǎng)格數(shù)量以減少內(nèi)存需求[2]。如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)劃分示意圖

1.3 邊界條件及湍流模型設(shè)定

本研究中選速度進(jìn)口為進(jìn)口邊界條件。以壓力出口為出口邊界條件。設(shè)定壁面為無(wú)滑移邊界條件。科恩達(dá)面及風(fēng)圈的接觸面均設(shè)置為壁面邊界條件。近場(chǎng)加密區(qū)及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)均通過(guò)interface 邊界進(jìn)行信息交換。

環(huán)形流場(chǎng)中最高流速區(qū)域?yàn)槌鲲L(fēng)口處，流速約為15 m/s，流動(dòng)屬于不可壓縮流動(dòng)。出風(fēng)口處的雷諾數(shù)分別為15602.5，所以設(shè)定環(huán)形流場(chǎng)流動(dòng)為湍流。

1.4 模型正確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

1.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器與測(cè)試方法

模型正確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，采用AKIRA 牌無(wú)葉風(fēng)扇HA-AX200/SG 作為送風(fēng)裝置，采用 Delta 牌HD-37AB1347 型熱風(fēng)儀作為測(cè)量風(fēng)速設(shè)備。實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在環(huán)形風(fēng)口上部、中部、下部，沿風(fēng)口送風(fēng)方向設(shè)置共計(jì)45 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1.4.2 實(shí)驗(yàn)工況

根據(jù)無(wú)葉風(fēng)扇風(fēng)速檔位，分別設(shè)置了2 中不同風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)工況。工況1：出風(fēng)口速度=7.0 m/s。工況2：出風(fēng)口速度=10.0 m/s。

1.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果通過(guò)Origin 軟件進(jìn)行誤差分析并繪制在一張圖上，如圖4 及圖5 所示：

圖4 出口風(fēng)速為7 m/s 時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 出口風(fēng)速為10 m/s 時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

在兩種工況下將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，風(fēng)速衰減趨勢(shì)和風(fēng)速值的大小基本吻合，因而在進(jìn)行其他模擬的研究時(shí)，可使用CFD 進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 環(huán)形射流流動(dòng)性質(zhì)研究

2.1 環(huán)形射流軸心速度衰減規(guī)律研究

在空調(diào)系統(tǒng)中，由于空調(diào)系統(tǒng)的噪音控制，因此空調(diào)系統(tǒng)中出風(fēng)口的流速不宜過(guò)大。在本章及之后的研究中，取風(fēng)口風(fēng)速為2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s 為研究風(fēng)速[3]。取2～6 m/s 的速度云圖（圖6）。

圖6 不同速度下環(huán)形風(fēng)口流場(chǎng)模擬云圖

由圖6 可以看出，隨著風(fēng)速逐漸增大，環(huán)形風(fēng)的傳遞距離越來(lái)越大，流場(chǎng)區(qū)域逐漸增。流場(chǎng)在風(fēng)口垂直方向上的分布，在出風(fēng)口狹縫處風(fēng)速較大，隨著距離增加，環(huán)形射流將逐漸匯聚為一股圓形射流繼續(xù)沿垂直方向射出。

將得到的模擬值，結(jié)合自由射流公式在Origin 上進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，通過(guò)擬合曲線(xiàn)參數(shù)得到曲線(xiàn)具體如圖7 所示：

圖7 出風(fēng)口速度為4 m/s 時(shí)軸心速度擬合曲線(xiàn)

由圖7 分析得出：在0～0.3 m 范圍內(nèi)，環(huán)形風(fēng)口風(fēng)速衰減十分迅速，在0.3～2.0 m 范圍內(nèi)風(fēng)速衰減較為平緩，在2.0 m 之后，風(fēng)速衰減很慢。擬合曲線(xiàn)在0～0.3 m 范圍內(nèi)有很好的相符性，在0.3m 之后擬合曲線(xiàn)略低于模擬曲線(xiàn)。

曲線(xiàn)擬合公式為：

式中：VX表示射程x 處斷面處軸心速度，m/s；V0表示射流出口速度，m/s；D0表示風(fēng)口尺寸與紊流相關(guān)系數(shù)；X 表示計(jì)算斷面至風(fēng)口的距離，m。

2.2 環(huán)形射流軸心溫度衰減規(guī)律研究

取風(fēng)速范圍為2 m/s-6 m/s，送風(fēng)溫差為7.2 ℃，得到溫度分布云圖（圖8）。

由圖8 可以看出：環(huán)形射流溫度場(chǎng)在送風(fēng)口附近，在送風(fēng)口狹縫處的溫度明顯高于環(huán)中心及環(huán)外。也可以看出溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)具有一定相似性[4]。

將得到的模擬值，結(jié)合自由射流公式在Origin 上進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，通過(guò)擬合曲線(xiàn)參數(shù)得到曲線(xiàn)具體如圖9 所示：

圖8 風(fēng)速為2～6 m/s 溫度場(chǎng)模擬云圖

圖9 出風(fēng)口速度為4 m/s，送風(fēng)溫差為7.2 ℃時(shí)軸心溫度擬合曲線(xiàn)

曲線(xiàn)擬合公式為：

式中：ΔTX表示射程x 斷面處軸心溫度差，℃；ΔT0表示射流出口溫度差，℃；D0表示風(fēng)口尺寸與紊流相關(guān)系數(shù)；X 表示計(jì)算斷面至風(fēng)口的距離，m。

2.4 環(huán)形射流卷吸量研究

2.4.1 環(huán)形射流卷吸量倍數(shù)

由圖10 可以看出，氣流在出風(fēng)口狹縫附近的流速最高，氣流方向?yàn)槌鲲L(fēng)口方向。在出風(fēng)口外圍，有較少的氣流被帶入主氣流中向出風(fēng)口方向流動(dòng)。在環(huán)形出風(fēng)口內(nèi)側(cè)，有大量的氣流被帶入主氣流中，向環(huán)形風(fēng)口方向射流。

圖10 環(huán)形風(fēng)口射流速度矢量圖

根據(jù)模型的尺寸，R=110 mm，r=119 mm，得到環(huán)形風(fēng)口的面積：S=6.88×10-3m2，c=1.225 kg/m3，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)算公式Q=Svc，計(jì)算得到在不同截面上2～6 m/s 出風(fēng)口速度下的質(zhì)量流量分布曲線(xiàn)，具體如圖11所示：

圖11 質(zhì)量流量分布曲線(xiàn)

由質(zhì)量流量分布圖可以看出，質(zhì)量流量在出風(fēng)口附近最低，隨著出風(fēng)口速度增加而增加，取4 m/s 時(shí)在距風(fēng)口截面1 m 處的質(zhì)量流量計(jì)算流量倍增倍數(shù)，將倍增倍數(shù)定義為K，得到K=0.64/0.0337=18.99 倍。

環(huán)形風(fēng)口在送風(fēng)速度為4 m/s 時(shí)，在出風(fēng)口附近會(huì)卷吸入約19 倍的周?chē)諝?，空氣卷吸?huì)使送風(fēng)溫差衰減的很迅速，空調(diào)系統(tǒng)的處理風(fēng)會(huì)很快的和周?chē)諝饣旌?，流?chǎng)溫度分布在很短的距離內(nèi)達(dá)到均勻，故環(huán)形風(fēng)口適用于大溫差送風(fēng)系統(tǒng)[5]。

3 結(jié)論及建議

通過(guò)以上研究，可得出如下結(jié)論：

1）環(huán)形風(fēng)口的速度衰減在0～0.5 m 范圍內(nèi)衰減迅速，在0.5～4 m 范圍內(nèi)速度變化較小。環(huán)形氣流在距離風(fēng)口0.65 m 處后會(huì)發(fā)生匯合。

2）環(huán)形風(fēng)口的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)具有一定的相似性，軸心溫度在0～0.2 m 范圍內(nèi)迅速下降，在0.2 m 之后溫度衰減緩慢，可以說(shuō)明溫度場(chǎng)在0.2 m 之后迅速趨于均勻。

3）環(huán)形風(fēng)口送風(fēng)速度為4 m/s 時(shí)，在距環(huán)形風(fēng)口1 m 處會(huì)卷吸入約19 倍的周?chē)諝?，使空調(diào)處理過(guò)的空氣在很短的距離內(nèi)迅速的與周?chē)諝饣旌?，使得送風(fēng)速度迅速衰減，在送風(fēng)區(qū)域內(nèi)不會(huì)造成吹風(fēng)感。環(huán)形風(fēng)口的溫度場(chǎng)在很短的距離內(nèi)達(dá)到均勻，在空調(diào)系統(tǒng)中不會(huì)造成送風(fēng)區(qū)域的局部過(guò)熱/過(guò)冷現(xiàn)象，環(huán)形風(fēng)口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，性?xún)r(jià)比高，適用于大溫差送風(fēng)系統(tǒng)。