曾仕豪 張濟(jì)辭 王勝男 畢海權(quán) 雷 波 余 濤

（1.西南交通大學(xué) 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031）

0 引言

隨著我國鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展，有近800 座高鐵客運站已開通運營，候車室占客站面積可達(dá)50%以上[1]，通常為高大空間，大型和特大型客站高度可達(dá)40m 以上[2]，一些寒冷地區(qū)客站和中小型客站候車室高度也都在15m 以上[3,4]。實際需要空氣調(diào)節(jié)的一般為下部2～3m 內(nèi)的工作區(qū)域[5]，所以候車室供暖空調(diào)系統(tǒng)常采用分層空調(diào)。

冬季分層空調(diào)系統(tǒng)普遍采用單排噴口進(jìn)行供暖，溫差引起的浮力作用會使送風(fēng)熱射流彎曲上浮，導(dǎo)致空間內(nèi)存在較強(qiáng)的溫度分層現(xiàn)象。Togari S等人[6]建立了預(yù)測大空間垂直溫度分布的簡化模型。王新偉[7]主要研究了風(fēng)口位置對供暖效果的影響。任艷莉[8]研究了不同送風(fēng)角度、速度、溫度和間距下的室內(nèi)氣流組織。有調(diào)研顯示冬季采用噴口側(cè)送熱風(fēng)時，滲透風(fēng)、熱浮力等因素導(dǎo)致候車廳底部活動區(qū)溫度偏低[9]。也有案例表明通過調(diào)整送風(fēng)速度及角度等難以保證活動區(qū)舒適性[10]。Mostafa Rahimi 等[11]提出利用機(jī)械裝置將房間上部熱空氣送到活動區(qū)，謝方祥[12]則研究了類似的熱回收機(jī)制在鐵路客站的應(yīng)用情況。

送風(fēng)熱射流上浮會導(dǎo)致熱量浪費以及活動區(qū)舒適性低，上述改進(jìn)措施有助于提高活動區(qū)溫度，但有可能導(dǎo)致室內(nèi)風(fēng)速過高，并且沒有減弱送風(fēng)熱射流的上浮，也缺乏實際案例驗證。

本文提出一種新型復(fù)合氣流送風(fēng)方案以解決上述問題，此前尚未有文章研究通過壓制送風(fēng)熱射流來改善其供暖效果，下面對其原理作詳細(xì)說明并對其可行性進(jìn)行分析。

1 復(fù)合氣流送風(fēng)方案

常用于冬季供暖的單排風(fēng)口送風(fēng)方案，其送風(fēng)熱射流會有明顯上浮，如圖1所示。本文提出的新型復(fù)合氣流送風(fēng)方案的主要改變是在單獨的送風(fēng)熱射流上方附加控制氣流，并在上部開回風(fēng)口，控制氣流直接利用上部空氣進(jìn)行循環(huán)，示意圖如圖2所示?？刂茪饬飨蛳聝A角更大，溫度接近室內(nèi)設(shè)計溫度，不會發(fā)生明顯上浮，在速度完全衰減前與送風(fēng)熱射流相遇，并混合為一股氣流，下文稱為混合氣流?？刂茪饬骱邢蛳碌乃俣确至?，與送風(fēng)熱射流混合時起到壓制作用，減弱送風(fēng)熱射流的上??；混合后射流風(fēng)量增大，對周圍空氣卷吸更強(qiáng)，受室內(nèi)擾流的影響也會減少，以上作用都使混合射流可到達(dá)更低更遠(yuǎn)處。

圖1 單排風(fēng)口送風(fēng)Fig.1 Air supply using single nozzle

圖2 復(fù)合氣流送風(fēng)Fig.2 Air supply using coupled airflow

通過在送風(fēng)熱射流上方附加控制氣流，混合氣流上浮更小，能覆蓋更大的范圍并充分將熱量送入活動區(qū)，可以改善活動區(qū)舒適性和溫度均勻性并減少熱量浪費，同時避免單純增大送風(fēng)熱射流速度導(dǎo)致部分區(qū)域風(fēng)速過大的問題。

合理設(shè)計兩風(fēng)口的高度以及兩股射流的送風(fēng)參數(shù)，可以得到理想的壓制效果和室內(nèi)氣流組織。調(diào)整兩射流的速度以及角度也能一定程度上適應(yīng)室內(nèi)負(fù)荷以及氣體流動的變化。

2 數(shù)值計算模型

為進(jìn)一步說明復(fù)合氣流供暖方案的可行性，本文利用數(shù)值計算方法對兩方案送風(fēng)效果進(jìn)行分析對比。幾何尺寸參考西藏地區(qū)某鐵路客站候車廳，其1/4 區(qū)域如圖3所示。取候車廳中侵入冷風(fēng)和射流都發(fā)展較充分的包含一個風(fēng)口的典型區(qū)域建立幾何模型，長20m、寬2m、高16m，兩噴口直徑0.25m，送風(fēng)熱射流噴口中心距地面4m，控制氣流噴口在上方1.5m 處；回風(fēng)口為長0.2m 的正方形，中心距地面0.5m，控制氣流回風(fēng)口直徑0.25m，在控制氣流噴口上方0.5m 處，如圖4所示。

圖3 典型車站候車廳模型Fig.3 Model of typical station waiting room

圖4 典型送風(fēng)單元模型Fig.4 Typical unit model of air supply

文獻(xiàn)[13]認(rèn)為在研究流體匯流以及流動彎曲較大時Realizablek-ε湍流模型的計算結(jié)果更好，故本研究采用該湍流模型，壁面函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。開啟能量方程和重力項，室內(nèi)空氣密度采用Boussinesq 假設(shè)，速度壓力耦合選用coupled 算法。

在Fluent 中設(shè)置風(fēng)口對面以及兩側(cè)面為對稱邊界，噴口以及控制氣流回風(fēng)口為速度入口邊界（控制氣流回風(fēng)口速度為負(fù)值），回風(fēng)口為自由出流邊界，其余壁面為熱流邊界。按照節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[14]選取相應(yīng)參數(shù)，室內(nèi)設(shè)計溫度取18℃，計算得到送風(fēng)單元各壁面?zhèn)鳠崃?，并將滲透風(fēng)以及室內(nèi)發(fā)熱量按一定比例分配到各壁面，得到各壁面熱負(fù)荷以及數(shù)值計算熱流邊界條件如表1所示。控制氣流溫度設(shè)為18℃，出口速度為7.5m/s，向下傾角20°。

表1 壁面熱負(fù)荷以及熱流密度值Table 1 Heating load and heat flux of walls

室內(nèi)負(fù)荷以及流場變化情況比較復(fù)雜，噴口送風(fēng)方案常通過調(diào)整送風(fēng)角度以及送風(fēng)速度來適應(yīng)其變化，以達(dá)到最佳送風(fēng)效果。設(shè)置三個在送風(fēng)速度和角度上互有差異的工況，分別比較兩種方案下的送風(fēng)效果，并分析不同工況下復(fù)合氣流送風(fēng)方案的可行性，工況具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 不同工況送風(fēng)熱射流參數(shù)設(shè)置Table 2 Supplied air jet parameters in different conditions

3 計算結(jié)果分析

3.1 工況1

對兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，取X=1m 平面做出速度矢量圖如圖5 和圖6所示，將該平面上具有相同Z值中速度最大的點作為射流軸心，連接軸心點畫出射流軸心軌跡，兩種方案下的射流軸心軌跡曲線如圖7所示。

圖5 單排風(fēng)口送風(fēng)速度矢量圖（工況1）Fig.5 Velocity vector diagram of air supply using single nozzle(condition 1)

圖6 復(fù)合氣流送風(fēng)速度矢量圖（工況1）Fig.6 Velocity vector diagram of air supply using coupled airflow(condition 1)

圖7 兩種方案射流軸心軌跡曲線（工況1）Fig.7 The jet axis locus curve of two schemes(condition 1)

取最低點與噴口中心點位置差值作為垂直射程和水平射程，單排風(fēng)口送風(fēng)方案下垂直射程為1m，水平射程為4.5m；復(fù)合氣流送風(fēng)方案下垂直射程為1.42m，增加42%，水平射程為8m，增加78%，復(fù)合氣流送風(fēng)方案對射流射程改善效果明顯。取距地面至1.8m，距外墻1m 的空間為活動區(qū)，計算得到單排風(fēng)口送風(fēng)方案下活動區(qū)平均溫度約17.0℃，不滿足設(shè)計要求；其余空間平均溫度為18.9℃，明顯高于活動區(qū)，熱量浪費較多。復(fù)合氣流送風(fēng)方案下活動區(qū)平均溫度為18.0℃，溫度提高1.0℃，達(dá)到設(shè)計要求。

單排風(fēng)口送風(fēng)方案下送風(fēng)熱射流在浮力和室內(nèi)擾流作用下嚴(yán)重上浮，射流作用范圍小，熱量難以到達(dá)活動區(qū)，大部分堆積浪費在頂部，導(dǎo)致底部平均溫度較低。復(fù)合氣流送風(fēng)方案中射流上浮現(xiàn)象有明顯減弱，兩股氣流在約Z=6m 處混合為一股氣流，混合射流可以覆蓋更遠(yuǎn)更低的范圍，將熱量送入活動區(qū)。該方案下底部仍存在小部分區(qū)域因沒有受到射流作用而溫度較低，但相對于單排風(fēng)口送風(fēng)時已有很大改善。

3.2 工況2

對兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，取X=1m 平面做出速度矢量圖如圖8 和圖9所示，兩種方案下的射流軸心軌跡曲線如圖10所示。

圖8 單排風(fēng)口送風(fēng)速度矢量圖（工況2）Fig.8 Velocity vector diagram of air supply using single row nozzle(condition 2)

圖9 復(fù)合氣流送風(fēng)速度矢量圖（工況2）Fig.9 Velocity vector diagram of air supply using coupled airflow(condition 2)

圖10 兩種方案射流軸心軌跡曲線（工況2）Fig.10 The jet axis locus curve of two schemes(condition 2)

單排風(fēng)口送風(fēng)方案下活動區(qū)平均溫度為17.4℃，射流垂直射程為1.22m，水平射程為4.5m；復(fù)合氣流送風(fēng)方案下活動區(qū)平均溫度為18.0℃，提升0.6℃，射流垂直射程為1.79m，增加47%，水平射程為8m，增加78%。

對于單排風(fēng)口送風(fēng)方案，提高送風(fēng)熱射流速度會使上浮現(xiàn)象有一定減弱，也對活動區(qū)舒適性有一定改善，但是效果不明顯。工況2 中采用復(fù)合氣流送風(fēng)方案同樣能有效地減弱送風(fēng)熱射流上浮，使射流覆蓋更大范圍活動區(qū)，改善其舒適性。

3.3 工況3

對兩種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，取X=1m 平面做出速度矢量圖如圖11 和圖12所示，兩種方案下的射流軸心軌跡曲線如圖13所示。

圖11 單排風(fēng)口送風(fēng)速度矢量圖（工況3）Fig.11 Velocity vector diagram of air supply using single row nozzle(condition 3)

圖12 復(fù)合氣流送風(fēng)速度矢量圖（工況3）Fig.12 Velocity vector diagram of air supply using coupled airflow(condition 3)

圖13 兩種方案射流軸心軌跡曲線（工況3）Fig.13 The jet axis locus curve of two schemes(condition 3)

單排風(fēng)口送風(fēng)方案下活動區(qū)平均溫度為17.2℃，射流垂直射程為1.59m，水平射程為4m；復(fù)合氣流送風(fēng)方案下活動區(qū)平均溫度為17.8℃，提升0.6℃，射流垂直射程為2.59m，增加63%，水平射程為6m，增加50%。

對于單排風(fēng)口送風(fēng)方案，增大送風(fēng)熱射流向下傾角可以使垂直射程增加，但受到室內(nèi)擾流的影響更強(qiáng)，水平射程反而減少，上浮情況更加嚴(yán)重，送風(fēng)熱射流末端幾乎垂直上浮。工況3 中采用復(fù)合氣流送風(fēng)方案時送風(fēng)熱射流向下傾角較大，兩射流混合位置較遠(yuǎn)，混合前送風(fēng)熱射流已出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，且控制氣流速度衰減過多，起到的壓制作用比較弱。射流最低點在原本送風(fēng)熱射流范圍內(nèi)，而不是兩股射流匯合后，該工況下，復(fù)合氣流送風(fēng)方案對送風(fēng)效果改善較小。

工況3 中，復(fù)合氣流送風(fēng)方案下控制氣流送風(fēng)角度設(shè)為20°時活動區(qū)溫度沒有達(dá)到設(shè)計要求，若將其改為25°，其余條件不變，計算結(jié)果做出速度矢量圖如圖14所示。該方案下活動區(qū)平均溫度為18.7℃，提升較多，但射流直接進(jìn)入活動區(qū)，導(dǎo)致活動區(qū)風(fēng)速過大，同樣不滿足要求。復(fù)合氣流送風(fēng)方案要達(dá)到好的效果，不僅需要調(diào)整好控制氣流的參數(shù)，也需要保證送風(fēng)熱射流參數(shù)在一定合理范圍內(nèi)，后續(xù)研究有待進(jìn)一步深入。

圖14 控制氣流送風(fēng)角度25°速度矢量圖（工況3）Fig.14 Velocity vector diagram of control airflow of 25°(condition 3)

4 結(jié)論

目前高大空間供暖常采用的分層空調(diào)系統(tǒng)存在送風(fēng)熱射流嚴(yán)重上浮這一問題，本文提出的復(fù)合氣流送風(fēng)方案能有效減弱上浮程度，提高活動區(qū)溫度。本文選取某典型站房送風(fēng)區(qū)域進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）單純利用分層空調(diào)進(jìn)行供暖效果不佳，在浮力作用下送風(fēng)熱射流過早上浮，難以覆蓋活動區(qū)，大量熱量浪費在上部空間。通過調(diào)整送風(fēng)角度、速度、溫度等能小幅提高活動區(qū)平均溫度，但仍達(dá)不到設(shè)計要求，并且對射流覆蓋范圍的提升不大。

（2）增設(shè)一個控制氣流的復(fù)合氣流送風(fēng)方案能夠有效減弱送風(fēng)熱射流的上浮以及受室內(nèi)擾流的影響。對一定送風(fēng)參數(shù)范圍內(nèi)的送風(fēng)熱射流，增設(shè)控制氣流都能使送風(fēng)熱射流射程增加，覆蓋更大范圍，垂直射程提高40%以上，水平射程提高70%以上。熱量能得到更有效利用，活動區(qū)溫度可提高到18℃以上，達(dá)到設(shè)計要求。