豎直壁面貼附式送風模式氣流組織特性研究

尹海國，李安桂

（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

建筑通風空調系統中，目前主要的送風模式有混合通風和置換通風兩種[1]．相比較來說，置換通風具有送風效率高、室內空氣品質優、人員舒適性強的優點[2-3]．但是，傳統置換通風散流器大多位于房間下部，送風直接進入工作區，為了避免產生吹風感，送風速度往往受到限制，因此只能承擔40-50 W/m2左右的室內負荷[4]，作用能力有限．并且系統布置時往往需要升高樓板高度(可達30 cm以上，布置下送管道)，占用建筑下部有效空間．

為解決上述兩種傳統送風模式存在的問題，專家學者們提出了一系列新型的送風模式．例如，2000年Karimipanah等人[5]提出基于半圓形或矩形送風口的豎直壁面貼附式沖擊射流通風（Down-to-floor Impinging Ventilation, DIV）；2002年，Melikov等人[6]針對局部環境控制提出的個性化通風(Personalized Ventilation, PV)；2008年，林章等人[7]基于節能考慮提出高溫空調層式通風(Stratum Ventilation, SV)；2014年，曹廣宇等人[8]針對工作區區域環境分隔與控制提出的工作區保護通風(Protected Occupied zone Ventilation, POV)等．

本文提出的豎直壁面貼附式送風模式[9]也屬于新型送風模式的一種，但與上述送風模式在作用原理上存在一定不同，它兼具混合通風和置換通風的特性．同時，豎直壁面貼附式送風模式既有混合通風送風口容易布置、不占用工作區有效空間之優點，又具備置換式通風室內空氣品質高、能源消耗較小之優點，能夠在一定程度上解決現有送風模式存在的弊端[10]．

1 豎直壁面貼附式送風理論模型

豎直壁面貼附式送風模式理論基礎基于壁面貼附送風和沖擊式射流，但與實際工程中主要應用的頂板水平貼附送風不同，豎直壁面貼附式送風是沿豎直壁面的空氣流動，流動方向與重力方向一致，因此送風軸線速度衰減相對較慢，進而影響沖擊轉向后水平向的氣流組織特性．而與主要采用圓孔或矩形風口的傳統沖擊射流不同，本文研究的豎直壁面貼附式送風采用長寬比較大的條縫風口，并且考慮到風口安裝要求，條縫風口中心距貼附側墻有一定的距離 s，因此送風在沿側墻向下運動沖擊角落之前首先要偏轉并與墻壁形成貼附，這些改變可能會對氣流組織特性產生影響．

圖1(a)是豎直壁面貼附式送風模式氣流組織理論模型示意圖．由圖可知，該送風模式氣流組織可以劃分為豎直向貼附區，射流沖擊偏轉區和水平向空氣湖區3個部分．由于送風口與豎直墻壁間存在一定距離，而在康達效應的作用，豎直向貼附區內將會存在一定的偏轉段．該氣流組織模型得到了全尺寸可視化實驗驗證．從圖1(b)中清晰地看出，射流主體能夠向側墻偏轉，依次與豎直壁面和地板形成貼附流動，并在人員工作區形成空氣湖狀速度分布．同時由于貼附壁面的存在，送風主體進入工作區前并未與室內空氣產生較多的混合．這表明豎直壁面貼附式送風模式在某種程度上確實具備了置換送風的一些優點．

圖1 豎直壁面貼附式送風模式圖Fig. 1 The air distribution model of attached air curtain ventilation

2 豎直壁面貼附式送風全尺寸實驗

基于豎直壁面貼附式送風理論模型，建立了1:1全尺寸實驗裝置．通過豎直向貼附區和水平向空氣湖區速度場的三維定量測試數據，來獲得豎直壁面貼附式送風模式軸線速度、沿風口長度方向平均速度和送風主體斷面速度分布的特性，以及送風沿運動方向厚度的擴展特性，為這種新型氣流組織的設計及工程應用提供數據基礎．

2.1 全尺寸實驗裝置及測點布置

圖2為全尺寸實驗裝置及測點布置示意圖，實驗室尺寸為 5.4×7.0×3.16 m3(長×寬×高)，條縫風口均勻送風用靜壓箱裝置[11]尺寸為2.5×0.5×0.5 m3(長×寬×高)．條縫風口距貼附墻面垂直距離s為0.1 m、距地面垂直距離h為2.6 m，條縫出風口斷面長度l為2.0 m、寬度b為0.05 m．送風采用離心式風機，額定風量1 000 m3/h，送風量由節流閥控制，實驗送風速度取1.0、1.5和2.0 m/s．

豎直向貼附區y方向軸線速度測試采用非均勻布點，共11個測點、測量范圍2.45 ～ 0.25 m；z方向平均速度測試采用均勻布點，共 10個、測量范圍?1.9 ～ 1.9 m；x方向斷面速度測試采用均勻布點，共10個、測量范圍0.04 ～ 0.40 m．水平向空氣湖區x方向軸線速度測試采用非均勻布點，共12個測點、測量范圍0.35 ～ 4.4 m；z方向平均速度測試采用均勻布點，共10個、測量范圍-1.9 ～ 1.9 m；y方向斷面速度測試采用均勻布點，共10個、測量范圍0.04～ 0.40 m．

圖2 豎直壁面貼附式送風全尺寸實驗裝置及三維速度測點布置Fig. 2 Full scale experimental model and measurement points distribution of attached air curtain ventilation

2.2 測試儀器及精度

速度場三維測試選用SWA03/31風速探頭配合Swema多點測試采集系統(最多可控制16個測點同時測量)，以實現速度場的多點實時無擾動監測．對于每個測點的速度測試，采樣頻率設置為5 Hz，采樣周期設置為180 s，以消除送風脈動性對測試結果準確性的影響[12]．速度場三維測試所用測試儀器及精度見表1，測量時所用SWA 03/31風速探頭剛經過廠家標定，標定結果顯示，用于速度場三維測試的 SWA 03探頭在本文速度測試范圍內(0.07～2.0 m/s)最高誤差為0.012 m/s，用于送風系統送風量測試的 SWA 31探頭在本文速度測試范圍內(2.5～5.0 m/s)最高誤差為0.1 m/s，儀器精度符合測試要求．

表1 實驗測試儀器及精度表Tab. 1 Experimental equipments and instrument precision

3 實驗結果及對比分析

3.1 軸線速度衰減

圖3為測試得到的豎直向貼附區和水平向空氣湖區軸線速度分布，及與類似送風模式已有研究結論的對比情況．軸線速度對比對象分別是基于水平壁面貼附送風的Rajaratnam[13]計算式、ASHRAE[14]計算式，基于多股噴嘴匯合式豎直壁面貼附送風的Cho等人[15]計算式，基于矩形風口豎直壁面貼附沖擊式送風的 Karimipanah等人[16]計算式，和采用Cao[17]虛擬原點理論推導得到的條縫風口豎直壁面貼附式送風計算式(虛擬原點理論見圖1a)．

圖3 不同送風速度下無因次軸線速度分布及對比圖Fig. 3 Non-dimensional maximum velocity decay and comparison under different air supply velocities

由圖3a可知，豎直向貼附區，送風速度變化對豎直向貼附區軸線速度分布影響不大，軸線速度均隨流動距離的增加而呈現一致的衰減規律．與其他人員的研究結論相比，Rajaratnam計算式能夠較為準確的預測本文送風模式豎直向貼附區充分發展段的軸線速度，但對應測點處計算值偏高．ASHRAE計算式對應測點處計算值偏低，但在衰減規律方面與實驗數據一致，因此綜合考慮兩個既有的計算式，本文送風模式豎直向貼附區軸線速度計算式可以表述為式(1)的修正形式．Cho等人軸線速度計算式總體衰減規律與全尺寸實驗數據一致，但對應取值點處軸線速度數值較高，這是因為圓形噴嘴相對于矩形和線形送風口來說，速度衰減相對較慢，因此對于豎直壁面貼附式送風模式，為了提高送風主體的延伸擴散能力，可以考慮將條縫風口改為平行布置的噴嘴組合，但同時要考慮吹風感的有效消除．

式中：um(y*)為距送風口距離為 y*時的軸線速度，y*為房間高度h和y*對應高度y的差值(y*=h-y)，u0為送風速度，b為條縫風口寬度．

圖3b表明，水平向空氣湖區軸線速度分布與豎直區類似，送風速度對軸線速度分布影響不大．不同送風速度下，射流主體沖擊角落偏轉后，沿運動方向約1 m長度范圍內(x/b≤20)軸線速度數值均有一定的增加，而后隨流動距離的增加又逐漸衰減．測試數據與計算式對比，Cho、Karimipanah等人提出的計算式及Cao虛擬原點理論推導得到的半經驗公式均不能預測加速段的存在，但基于Giddings方程的式(2)能夠非常精準的預測這一現象．如果不考慮加速段的影響，基于 Karimipanah等人矩形風口改進的用于條縫風口水平向軸線速度的計算式與全尺寸實驗數據吻合較好，可用于豎直壁面貼附式送風模式水平區軸線速度的預測．

式中：um(x)為送風主體轉彎后距沖擊角落距離為 x時的軸線速度，I1()為一階修正的貝塞爾函數．

同時由圖3可知，與傳統置換通風相比，豎直壁面貼附式送風主體進入工作前速度衰減了一半以上，但在貼附壁面的“挾持作用”下，送風并未與工作區之外的空氣有較多混合，因此進入工作區的空氣保持了送風主體的絕大部分冷/熱量和新鮮度．軸線速度的衰減主要是因為送風主體面積的擴大，相當于在房間左下角落處形成了一個虛擬的擴張式送風口，在將足夠的能量送入工作區的同時，由于送風斷面的增加，降低了工作區的平均風速，避免了吹風感的產生，一定程度上解決了置換通風存在的弊病．

3.2 沿風口長度方向平均速度分布

F?rthman[18]指出送風口長寬比大于20:1時，三維送風可以忽略側墻的影響而簡化為二維送風，本文將對長寬比為40:1的條縫風口進行全尺寸實驗，以驗證和分析條縫風口豎直壁面貼附式送風的二維特性．

由圖4可知，沿送風流動方向不同位置處，風口長度方向 10個測點的平均速度分布規律與軸線速度一致，兩種速度對應取值點數值大小近似相等．因此條縫風口形成的三維豎直壁面貼附式送風模式具有較好的二維特性，研究時可以忽略風口長度這一維度的影響．

3.3 送風主體斷面速度分布

為分析條縫風口距貼附墻面存在一定距離 s時，本文送風模式是否能夠近似為全程貼附送風，同時驗證 Verhoff[19]和 Schwarz等人[20]提出的用于水平向送風主體斷面速度分布計算式在本文送風模式下的適用性，采用全尺寸實驗數據與現有計算式進行對比分析如下圖5．

圖4 不同送風速度下無因次軸線/平均速度分布對比圖Fig. 4 Comparison of non-dimensional maximum velocity and average velocity under different air supply velocities

圖5 不同送風速度下無因次斷面速度分布圖Fig. 5 Non-dimensional velocity profiles distribution under different air supply velocities

由圖5a可知，豎直向貼附區，沿送風運動方向不同斷面速度分布具有相似性，送風能夠在較短距離內即與豎直壁面形成貼附，y=2.45 m處斷面速度分布已經具有了與主體段一致的相似性，因此雖然條縫風口中心與貼附墻面間存在 0.1 m的垂直距離，但送風能夠忽略這一影響，近似按照全程貼附送風來研究．圖 5b表示的水平向空氣湖區與豎直區類似，全尺寸實驗測試數據與Verhoff和Schwarz等人計算式吻合較好．相比來說，豎直向貼附區Schwarz計算式在斷面速度分布計算方面精度較高，而水平向空氣湖區則是Verhoff計算式較高．

3.4 送風沿運動方向厚度擴展

圖6是全尺寸實驗測試得到的送風沿運動方向厚度擴展及與Rajaratnam[13]給出的水平壁面貼附送風、Beltaos[21]給出的沖擊射流豎直區和水平區計算式的對比．

由圖6可知，豎直向貼附區，不同風速下實驗得到的厚度擴展規律及對應取值點數值大致類似，沿送風主體運動方向厚度b0.5線性增大，數據可以擬合得到式(3)的厚度擴展計算式，擴展率為0.093．與Rajaratnam水平壁面貼附射流0.068的擴展率相比，豎直壁面貼附式送風沿運動方向厚度擴展率較大，約為水平射流的1.37倍，這主要是因為水平壁面貼附送風厚度擴展方向與重力加速度方向相反；實驗數據與 Beltaos沖擊射流豎直向擴展率近似一致，兩者相差僅 7%，因此豎直壁面貼附式送風可作為沖擊射流的一半來考慮．

水平向不同風速下，實驗得到的送風主體厚度擴展仍呈現一定的線性分布規律，但由于送風沖擊角落后加速段的存在，主體厚度呈現先收縮后擴展的分布形態，收縮段和擴展段的數據分別擬合得到式(4)的厚度收縮計算式和式(5)的厚度擴展計算式．擴展段擴展率為0.082，與Rajaratnam水平壁面貼附射流擴展率相比，射流沖擊角落轉向后擴展率增大了約1.21倍；而與Beltaos沖擊射流水平向擴展率近似一致，兩者相差仍為 7%．所以豎直壁面貼附式送風可以近似按沖擊射流理論來描述．

式中：b0.5為送風主體特性半厚度，是流速等于0.5um所在位置距軸線的距離．

圖6 不同送風速度下送風主體厚度擴展圖Fig. 6 Extending in thickness of air supply body under different air supply velocities

4 結語

采用全尺寸實驗的方法對豎直壁面貼附式送風這一新型模式的氣流組織特性進行了全面研究，并與國內外已有研究結論進行了對比分析，研究表明：

(1) 豎直壁面貼附式送風能夠在工作區形成類似于置換通風的空氣湖狀速度分布，并能有效解決置換通風制冷能力低、占用工作區下部有效空間等弊病．

(2) 基于國內外射流領域已有理論及經驗公式，得到了豎直向貼附區和水平向空氣湖區送風軸線速度衰減、送風主體斷面速度分布和送風沿運動方向厚度擴展的計算式．

(3) 采用長寬比40:1的條縫風口的豎直壁面貼附式送風具體一定的二維特性，對送風主體特性研究時沿條縫風口長度方向取任意截面均可．

(4) 條縫風口中心距貼附墻面距離小于 0.1 m時，并不會對氣流組織特性產生影響，送風可以按照全程貼附送風模式來研究．并且此時可以基于鏡面原理，將豎直壁面貼附式送風當做沖擊射流的一半來考慮．

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