風口擾動對出風頻譜特性影響的實驗研究

張川 端木琳 高南

風口擾動對出風頻譜特性影響的實驗研究

張川1端木琳2高南3

1上海交通大學制冷與低溫工程研究所
2大連理工大學建設工程學部
3大連理工大學航空航天學院

研究具有與自然風波動特性相同的機械風是近年來建筑環境學中的熱門課題，本文利用自由剪切流中展現渦對流向速度的影響，提出了一種利用自由剪切流制造具有1/f紊動特性仿自然風的新方法。實驗結果顯示，自由剪切流混合層在低頻區上的流向風速具有與自然風類似的1/f紊動特性，利用自由剪切流模擬自然風的方案是可行的。同時通過改變其中兩股平行流速度梯度、主動擾動、被動擾動的方式可以調節風速波動在低頻區的功率譜指數，提供了利用低能耗方法制造仿自然風，改善空調舒適性的新思路。

仿自然風自由剪切流功率譜密度

0 引言

氣流紊動物理結構的變化規律以及氣流紊動特性對熱舒適性的影響是近代建筑環境學領域中重要的研究課題。與同樣速度的機械風相比，自然風更容易給人以舒適的感覺，這說明吹風對人體熱舒適性的影響不僅與風速的平均水平有關，還與風速的波動情況有關[1]；研究風速波動時頻譜分析是常用的方法，雙對數功率譜密度曲線上的功率譜指數是表征風速波動能量分布的重要參數，也是最終衡量機械制造的風場與自然風風場是否相似的主要指標，一般認為在人體有感的風速域內，自然風與機械風的功率譜指數β分界點在1.0～1.1左右[2～4]。

風場在時間上的脈動和湍流息息相關。湍流是自然界中常見的流動，湍流脈動并非完全不規則的隨機運動，而是在不規則脈動中包含可辨認的有序大尺度運動。大尺度結構的發展決定了流場中脈動在時間上的分布。湍流中存在有序結構最重要的應用在于可以通過干擾這種大尺度結構來控制湍流，從而形成具有不同頻譜的流場。本文的目的就是形成不同特性的流場，最終目標是根據這些特性設計出效果好、耗能低的舒適性送風裝置[5～6]。以常見的自由剪切湍流來說，主要是可以破壞或加強展向渦結構，改變湍流的性質，對于本文來說就是改變了流向上的速度時間序列，從而改變出風的頻譜特性，模擬自然風[7～8]。

綜上所述，本文希望通過對自由剪切流的研究，探究制造具有1/f紊動特性出風的新方法，探究不同擾動條件對功率譜指數β的影響，為探究不同功率譜指數β出風對人體舒適性影響提供穩定的送風源[9～11]。

1 實驗方法

圖1所示的整體系統圖簡明表示了整個實驗系統的情況，設計的實驗系統主要由進風模塊、整流模塊、控制模塊、測試模塊四大模塊組成：進風模塊主要是兩個配有變頻器的離心式風機，每個風機的最大風量約為1500m3/h，變頻器用來變化風機轉速改變出風量，獲得不同的速度梯度；整流模塊是整個實驗臺的主體部分，其作用是產生自由剪切流，為此設計了一個上下分隔的整流風洞，整個風洞分為擴散段、均勻度、收縮段三部分，如圖2所示，實驗臺的出風速度最大定在2.5m/s左右。其中出風口的尺寸為0.4m× 0.25m，其中0.4m是風洞兩個側板之間的距離，0.25m是單股平面平行流動的高度；擾動模塊的主要作用是破壞展向渦結構，以改變流向上出風的頻譜特性；測試模塊主要由熱線風速儀、數據采集卡、計算機三部分構成。

圖1 實驗整體系統圖

本實驗采用的熱線風速儀是航華CTA-02A型多通道熱線風速儀，熱線探針直徑5μm，長度1.5mm。探頭被安裝在一臺計算機控制的3維坐標架上，其位移精度為0.05mm。實驗前首先在不同風速下標定熱線風速儀，得到風速與電壓的對應關系：

式中：v表示測點的風速，m/s；u表示熱線風速儀的輸出電壓，V。

本文探究了三種改變流場特性的流動控制方法。第一種為被動控制方法，一個風道流速保持不變，另一個流道可變流速，這樣通過改變速度比的方法在風洞出口形成不同速度梯度的剪切層。第二種也為被動控制方法，在上下風道風速比不變的條件下，在流場出口加入不同的三角形鋸齒擾流片。鋸齒會形成流向渦擾動流場，擾流片長40cm，寬3cm。一共使用三組擾流片，尺間距分別為1cm、2cm、3cm，如圖3所示。第三種控制方法為主動開環控制，一組Arduino單板機發出指令給伺服電機，電機以不同頻率搖動矩形擾流片。擾流片長40cm，寬3cm，安裝在風洞出口，如圖1所示，擾流片運動振幅為5°。

圖2 實驗臺（單位：m）

圖3 主、被動擾動自由剪切流示意圖

整流風洞搭建完成后進行了風洞出口流場均勻性的測量。結果顯示，在分隔鋁板上下15cm的范圍內速度的平均值變化在5%以內，最大湍流度在0.1左右，誤差屬于可接受范圍。

考慮風洞的出風速度不大，因此測點均勻布置在距離風洞出口1m以內，分別距離風口10cm，30cm， 50cm，70cm，90cm處，這是測點在流向上的位置；在展向上，理論上速度場是均勻的，測點可以選取在流場內的任意位置，實際上靠近邊界的部分可能受邊界條件影響，因此將測點選取在流動展向的正中央，距離左右側板分別20cm；在法向上，要保證測點在自由剪切流的混合層內，自由剪切流的混合層厚度是隨著流動的發展而變化的[4]，但無論怎樣，兩股平面平行流動的交線始終在混合層內，因此在法向上始終保持測點與分隔鋼板同一高度，保證測點始終在混合層內。這樣就可以確定實驗過程中熱線探針的三維坐標位置了，其初始位置如圖4所示——距離風口10cm、位于流動展向的正中央、與分割鋼板在同一高度，其中箭頭所指為熱線探針。

圖4 熱線探針初始位置示意圖

實驗過程中，熱線探針通過支架固定在三維坐標架上，通過三維坐標架控制程序來控制熱線探針的位置變化。在某種確定條件下，測點熱線探針位于初始位置時，對該點的風速信號進行采樣，采樣結束后，程序控制熱線探針移動到下一個測點——距離風口30cm、位于流動展向的正中央、與分割鋼板在同一高度處，進行該點處風速時間序列的采樣，這樣依次進行50cm、70cm、90cm處測點的風速采樣，采樣完成之后，熱線探針重新回到初始位置，進行下一種條件下各個測點的風速采樣。

2 實驗結果

每組實驗結束之后，得到的是五個測點在既定采樣頻率下具有每組采樣數個數據風速時間序列X(t)：

式中：N表示每組采樣數。

數據處理時首先對多組數據求平均值以減小相對誤差，然后把風速時間序列中的每個元素減去平均值得到風速波動值的時間序列。用傅里葉變換的方法把時域上速度波動的時間序列轉換為頻域上具有不同頻率和振幅的波動Y(f)：

式中：fs表示采樣頻率；N表示每組采樣數；an+bni是能表示第n個頻率對應波動振幅及相位信息的復數。需要注意，根據采樣定理以fs的采樣頻率采樣時只能真實還原fs/2頻率以下波動。

相應點的功率譜密度E可以表示為：

式中：n=0,1,2,…,N-1；X(n)表示風速時間序列X(t)的快速傅里葉變換；△t表示采樣時間間隔，其隨f的變化情況即為所需的功率譜密度函數。

圖5是無擾動條件下，距離風口10cm處速度頻譜分布圖。當沒有速度梯度的時候，在各個頻率上的波動分量近似相同，低頻區的功率譜密度曲線近似水平直線。當下流道速度減小，即速度梯度增大以后，低頻率的波動分量更加明顯，同時在功率譜密度曲線上表現出與無擾動機械風完全不同的頻譜特性。隨著速度梯度的加大，其功率譜指數β逐漸增大。

圖5 無擾動條件下兩流道距離風口100mm處速度頻譜分布圖

被動擾動的主要方法是通過在出風口的隔板上安裝鋸齒狀的細長木條，使木條與隔板成45°，向高速一側傾斜，干擾兩股平面平行流動的混合過程，改變出風的頻譜特性。實際實驗結果發現，三種不同長木條對流場的擾動效果基本是一樣的。圖6所示的是使用了間距為20mm的擾流片的結果（上流道2.4m/s，下流道1.2m/s）。被動擾動對流場最直接的影響就是加速了波動能量在低頻區的衰減速度，從而增大了低頻區的功率譜指數β。由于鋸齒狀木條的存在加速了與低頻波動相對應展向大渦的破碎，從而使風速波動在低頻區表現出較快的衰減；但不同尺度鋸齒狀木條對流場的擾動沒有出現差異，應該是因為不同尺度的鋸齒對展現渦的破壞作用是相同的，并沒有發生預想差異。

圖6 距離風口100mm風速功率譜密度曲線

主動擾動是在出風口的隔板上安裝細長的木條，木條以不同頻率擺動時各測點風速特性的變化。圖7給出了木條以1Hz、3Hz、5Hz頻率擺動時測點風速的低頻特性。從圖中可以看出，由于木條的周期性擺動使得測點的風速波動出現明顯的周期性，并且風速波動變化的頻率與木條的擺動頻率十分接近；在頻域上，木條擺動頻率附近的頻譜具有明顯的突起。因此，主動擾動給風速特性帶來的最大變化是增強了風速波動的規律性。在風速的雙對數功率譜密度曲線上也能明顯地看去由于主動干擾木條的周期性擺動，使頻率在木條擺動頻率左右的波動能量明顯增加，這種能量分布變化最直接的結果就是引起低頻區功率譜指數β的變化，以1Hz的主動擾動為例：在沒有主動擾動的情況下，波動能量在1Hz左右已經開始衰減，使功率譜密度曲線具有負斜率，出風具有自然風1/f的紊動特性；存在1Hz主動擾動的情況下，由于在1Hz上的波動能量增加，使得1Hz之前的功率譜密度曲線一直保持水平，波動能量的衰減主要發生在1Hz之后。這就意味著，某種頻率的主動擾動可以增加功率譜密度曲線上相應頻率的能量，從而改變功率譜指數β，達到調控功率譜密度曲線斜率的目的。

需要說明，本文設計的三組主動擾動實驗最終都減小了低頻區的功率譜指數β或者說增大了波動能量開始衰減時的頻率，使出風頻譜特性向著接近機械風的方向發展，這是由于設計的擾動頻率均大于無擾動情況下波動能量開始衰減時的頻率，故擾動的存在相當于減緩了能量的衰減速度，如果擾動頻率小于無擾動情況下波動能量開始衰減時的頻率，就會增加波動能量在較小頻率上的分量，相當于加快能量的衰減速度，使低頻區的功率譜指數β增大。

圖7 主動擾動風速功率譜密度曲線

表1更全面地對各組實驗的結果進行了總結對比，其中β1，β2，β3，β4，β5分別代表確定實驗條件下10cm、30cm、50cm、70cm、90cm處測點風速波動雙對數功率譜密度圖上的功率譜指數，A、B、C鋸齒的形狀如前所示。

綜合上面的實驗結果可以總結出下面幾個規律：

1）確定條件下的單組實驗，在本文設計的測量范圍內各測點風速的波動特性基本相同，雙對數功率譜密度圖上的功率譜指數基本不發生變化；

2）無擾動機械風在低頻區的功率譜密度曲線近似水平直線，屬于典型的白噪；

3）具有速度梯度的兩股平面平行流動混合時，在混合層中的測點風速波動特性具有自然風類似的性質，并且功率譜指數的大小與速度梯度的大小有關，速度梯度越大，功率譜指數越大；

4）主動擾動可以使測點風速波動出現明顯的周期性，改變波動能量在頻域上的分布，增加擾動頻率附近的波動能量，使波動能量衰減發生在擾動頻率之后，而在擾動頻率之前的功率譜密度曲線近似水平，具有與機械風類似的特性；

5）被動擾動能夠加速了波動能量在低頻區的衰減速度，增大了低頻區的功率譜指數β，但就本文實驗結果來說，不同尺度的鋸齒擾動對測點風速波動的影響是相同的，并沒有出現預想的差異。

表1 不同實驗條件下各組實驗結果比較

3 結論與分析

實驗結果表明在兩股速度不同的平行流所形成的自由剪切流混合層中，流向上的風速的確具有與自然風類似的1/f紊動特性，利用自由剪切流模擬自然風的方案是可行的。自由剪切流中兩股平行流的速度梯度可以影響風速信號在低頻區上的功率譜指數，速度梯度越大，功率譜指數越大，據此可以調節風速信號在低頻區的功率譜指數；主動擾動（擺動性質）會使功率譜指數出現分段特性，在小于擾動頻率的區間上表現白噪的特性，大于擾動頻率的區間上表現粉噪的特性；被動擾動（破壞展向渦）能夠加速波動能量在低頻區的衰減，增大功率譜指數，但不同尺度的破壞對功率譜指數的衰減速度沒有差異。

利用本文的研究結論，可以設計出基于自由剪切流的新型風口，使風口出風具有與自然風類似的頻譜特性，并通過上述三種方式調節出風的頻譜特性，達到以低能耗方法制造仿自然風，改善空調熱舒適性的目的。

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Expe rim e nta l Study of Influe nc e on Airflow Fluc tua tion Cha ra c te ris tic by Pe rturba tion a t Air Outle t

ZHANG Chuan1,DUANMU Lin2,GAO Nan3
1 Institution of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong University
2 Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
3 School of Aeronautics and Astronautics,Dalian University of Technology

This paper raises a new method to produce mechanical wind with 1/f fluctuation using free shear flow.By experimental results,in the mixing layer of free shear flow,velocity of flow direction has same fluctuation characteristic with natural wind in the frequency region sensitive to human sensation.It signifies the possibility of simulate natural wind with free shear flow.With change of velocity gradient,perturbation active and passive,power spectrum exponent varies.Such,it provides a new approach to produce“natural wind”with low energy consumption.

natural wind,free shear flow,power spectrum density

1003-0344（2014）06-006-5

2013-9-22

張川（1990～），男，碩士研究生；上海市閔行區東川路800號中意綠色能源樓208室（200240）；E-mail:liumengwuhen@sjtu.edu.cn

國家自然科學基金（No.51078052）