趙曉蓉

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 前言

隨著我國經濟水平不斷提高，人們對室內環(huán)境的要求也隨之提高，建筑能耗所占總能耗的比例越來越大[1]。良好的氣流組織不僅可以提供一個舒適的熱環(huán)境，同時也可以降低建筑能源需求。為了提高大空間建筑的環(huán)境舒適度，旋流風口由于其氣流混合性較好而被大量應用[2]。

在大空間建筑中，安裝于建筑頂部的散流器為建筑送風，氣流首先在上部空間混合，當送風氣流到達人員活動區(qū)時速度較小，不會產生不舒適的吹風感，熱舒適性與熱均勻性也較好。射流輪廓在旋流風口附近區(qū)域具有不規(guī)則性，原因為受旋流風口幾何形狀和射流條件的影響[3]。有研究表明，多旋流風口耦合流場區(qū)域內的軸向溫度呈指數下降[4-6]。在過去的十年中，只有很少的研究集中在利用旋流風口改善室內空氣分布和熱舒適性上。一些研究致力于在不同的動態(tài)和熱條件下改進旋流噴嘴，旨在通過增強氧化劑和燃料之間的混合來提高燃燒性能[7-8]。Ahmadvand等人[9]研究了軸向旋流對流體流動和傳熱的影響。主要針對30°、45°和60°三種不同的葉片角度進行對比。結果表明，當獲得較大葉片角度時，熱性能更好。Akililu等人[10]使用k-∈模型模擬由于單向和多向射流而產生的湍流與混合過程。Felli等人[11]研究得到擴散效率與近壁區(qū)域射流的變形和能量大小有關。Yang等人[12]采用2D-PIV技術研究了旋流風口的性能，結果表明旋流風口送風的卷吸能力要優(yōu)于圓形散流器。

關于旋流風口的理論研究已經相對比較成熟。然而，旋流風口在大空間建筑中的應用研究卻相對較少。為了改善大空間建筑中的氣流組織和熱舒適性，且由于旋流風口較高的卷吸率和空氣混合能力，選擇了具有不同旋流角度的旋流風口作為送風末端進行研究。

2 模擬模型

2.1 物理模型與假設條件

單個旋流擴散器的房間長12 m，寬12 m，高9 m。旋流風口安裝在頂板中央，排風口位于側壁的底部中央。假設旋流角度為0°(方案1)、30°(方案2)、45°(方案3)和 60°(方案 4)。 旋流擴散器的半徑為0.2 m，排風口長0.8 m，寬0.2 m。另外，送風溫度設定為18℃，送風速度為5 m/s。旋流風口室內送風示意如圖1所示，旋流風口實際模型如圖2所示。

圖1 室內送風示意

圖2 旋流風口實際模型

2.2 模擬方法

本文采用計算流體動力學(CFD)來模擬旋流風口送風?？諝饬鲃訚M足質量守恒、動量守恒定律及能量守恒定律。此外，在數值模擬中通過SIMPLE算法實現了壓力-速度耦合。

3 評價指標

本文旨在研究旋流風口在大空間建筑中的應用。其中一些因素可以作為評估居住區(qū)空氣分布和熱舒適性的指標，例如空氣速度、空氣溫度、射流中心線速度衰減系數(K值)和空氣卷吸率。采用無因次中心線速度來評估人員活動區(qū)域的熱舒適性，并研究了徑向無量綱的溫度和速度，以評估旋流擴散器的卷吸能力。此外，由旋流擴散器產生的旋流射流的性能可以通過一個常數來表征，該常數稱為射流中心線速度衰減系數(K值)。K值可通過式(1)計算。

式中，V0為旋流風口出風速度(m/s)；V為距離旋流風口不同距離下的軸線速度(m/s)；K為速度衰減系數；A0為出風口面積(m2)；z為到軸線上某點處的距離(m)；zp為距旋流風口的距離(m)。

通過線性回歸方法，K和zp可以用式(2)～式(3)表示。

式中，Qz和Q0為距離旋流風口z處的流量和旋流風口出風流量。

4 模擬結果分析

4.1 速度與溫度分布

圖3為具有不同旋流角度的無量綱軸線速度和溫度分布曲線。從無量綱軸線速度分布可以看出，隨著高度的減小，由于周圍環(huán)境空氣的卷吸作用，在所有工況下，速度均呈現出迅速減小的趨勢。在旋流風口附近區(qū)域，方案1(0°)中有著最高的軸線速度。方案4(60°)的軸線速度最低，該方案中，送風沿屋頂延展，形成貼附射流，并通過立面送至活動區(qū)。與方案1相比，方案2～方案4中的中心線速度相對較低，這是由于旋流風口的送風與更多的室內空氣混合，從而降低進入人員活動區(qū)的速度。在方案1～方案3中，人員活動區(qū)內的風速相比于送風口處的風速有明顯的下降。溫度分布與速度分布顯著不同，方案4中由于送風形成貼附射流，沿屋頂運動后送入人員活動區(qū)，因此對下部區(qū)域內溫度的改善作用較小。對于方案4，活動區(qū)溫度遠高于其它3種方案中同區(qū)域的溫度。但是，方案1～方案3之間速度差異對人員活動區(qū)溫度分布沒有明顯影響。當高度逐漸減小時，除了方案4之外，其它工況下溫度上升呈現出類似的規(guī)律，這意味著旋流角度對人員活動區(qū)內熱環(huán)境的影響基本可以忽略。同時，上部區(qū)域的溫度衰減比下部區(qū)域的溫度衰減更為明顯，方案1～方案3可以為人員提供一個均勻舒適的環(huán)境。

圖3 送風口軸線速度及溫度分布曲線

本文旨在研究旋流風口在大空間建筑中的應用效果。因此，人員活動區(qū)的速度和溫度分布是必不可少的因素，需要對其進行評估(見圖4)。從速度分布可以看出，在方案1～方案3中，徑向速度分布基本趨勢相似，而在方案4中，由于旋流角度較大，速度場與其它相差較大，隨著旋流角的增加，最高速度幅值逐漸減小。這是因為較高的旋流角會更快卷吸周圍空氣，使得風速下降較快，不會對人員活動區(qū)造成不舒適的吹風感。當旋流角大于45°時，最高速度約為0.5 m/s，這對于大空間建筑物是可以接受的。盡管在方案4中獲得了最佳的速度分布，但溫度比其它三個方案中的溫度高約1℃。在高度為0.1 m時，前三個方案的溫度分布類似，這說明盡管旋流角度不同，但對人員活動區(qū)內的溫度影響較小。另外，方案1～方案3中的最高溫度低于28℃。溫度隨徑向距離的增加而略有增加，表明這樣的送風方式可以在人員活動區(qū)提供相對較好的熱舒適條件。

圖4 距地面0.1 m處速度及溫度分布曲線

從圖4可以看出，盡管方案4人員活動區(qū)的速度比其它三種方案要好，但該區(qū)域內溫度較高。因此，在這種情況下人員的熱舒適性無法得到保障。在后續(xù)的研究中不再對60°旋流角度進行評估。

4.2 射流軸線速度衰減系數及卷吸率

表1列出了不同旋流角下射流軸線速度衰減系數和卷吸率。隨著旋流角的增加，射流軸線速度衰減系數逐漸減小，這表明采用較高的旋流角度時，送風速度衰減迅速，大量的環(huán)境空氣將與送風氣流進行混合。對于給定的旋流風口，其空氣誘導效果可以通過射流的卷吸率進行評估。方案1～方案3的卷吸率分別為1.4、2.1和2.6，這表明旋流風口的卷吸率遠大于普通形式散流器。因此，與傳統(tǒng)的散流器相比，旋流風口可以顯著降低在人員活動區(qū)的吹風感。

表1 不同旋流角度下射流特性

4.3 不同旋流角度比較

為改善大空間建筑中的空氣分布和熱舒適性，比較了具有不同旋流角度(30°、45°、60°)旋流風口和常規(guī)送風口(0°)的速度場和溫度場。在大空間建筑中，建議采用旋流角為45°的旋流風口。同時可以根據智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測人員活動區(qū)域的風速和溫度，改變旋流風口的旋流角度，調節(jié)人員活動區(qū)內的風速和溫度，使之滿足熱舒適要求，同時達到節(jié)能的目的。

4.4 優(yōu)化分析

根據以上研究，選擇45°的旋流風口用于大空間建筑。為了評估風速的影響并優(yōu)化人員活動區(qū)的空氣分布和熱舒適度，設置四種不同的送風速度，分別為4 m/s(工況1)、5 m/s(工況2)、6 m/s(工況3)和7 m/s(工況4)，對人員活動區(qū)內的風速和溫度進行比較。

圖5為高度為1.5 m時的水平速度和溫度曲線。速度場和溫度場均呈現對稱分布。除中心線附近的區(qū)域外，四種工況下的速度差異不明顯。從圖5可以看出，送風氣流可以覆蓋大約12 m2的區(qū)域，超出這一區(qū)域風速基本為零。根據水平區(qū)域速度分布，大部分區(qū)域的人員都不會有吹風感。但是，由于沿側壁的向上氣流在接近側壁的區(qū)域速度相對較高，送風速度對水平區(qū)域溫度分布的影響比較明顯，對速度分布的影響可忽略不計。另外，四種工況下的最大溫差可超過1.5℃。當采用較低的送風速度時，溫度會相對較高，但都可控制在28℃以下。當送風速度為6 m/s時，人員活動區(qū)內風速、溫度分布最好，同時可根據運行監(jiān)測數據，通過智能控制系統(tǒng)調整送風溫度，使之達到舒適性要求。

圖5 人員活動區(qū)水平面速度及溫度分布曲線

5 結論

本文研究了旋流風口在大空間建筑中應用的可行性。對溫度場和速度場進行分析，得出以下結論:

通過評價氣流組織和熱舒適性，研究了不同旋流角度(0°、30°、45°和 60°)下旋流風口的性能。 在送風口附近，軸線速度隨旋流角度的增加而呈下降趨勢。由于周圍空氣的卷吸作用，具有高旋流角度的速度衰減更快。當旋流角度大于45°時，在0.1 m高度處的最高速度約為0.5 m/s；當旋流角增加到60°時，氣流沿頂面行程貼附射流，其人員活動區(qū)溫度比其他方案高約1℃。方案1～方案3的卷吸率分別為1.4、2.1和2.6，旋流角度越大，送風的卷吸作用越強烈。因此，為提供舒適環(huán)境，建議選擇45°的旋流角度。同時采用智能控制系統(tǒng)監(jiān)測人員工作區(qū)速度與溫度，調節(jié)旋流角度，達到舒適、節(jié)能的效果。

對于不同的送風速度，人員活動區(qū)內四種工況下的速度分布相似，送風速度對人員活動區(qū)的溫度分布影響較小。送風氣流在風口附近產生負壓區(qū)，隨著與出口距離的增加，負壓區(qū)逐漸消失。綜合考慮人員活動區(qū)內的速度與溫度分布，建議采用6 m/s的送風速度。同時根據人員活動區(qū)的速度、溫度監(jiān)測數據，通過智能控制系統(tǒng)調節(jié)送風速度，使之達到更好的效果。