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
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。
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
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
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。
1.4.1 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。
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。
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。
2.4.1 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]。
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)。