大空間豎向熱羽流對橫向冷射流的干擾作用鹽水模擬實驗研究

王 昕 梁 云 葉李飛 馬靜思

(1 上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093; 2 上海建科建筑節能評估事務所 上海 200032)

大空間豎向熱羽流對橫向冷射流的干擾作用鹽水模擬實驗研究

王 昕1梁 云2葉李飛1馬靜思1

(1 上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093; 2 上海建科建筑節能評估事務所 上海 200032)

以相似理論為依據，設計搭建了用于模擬大空間建筑室內氣流組織的液態模型實驗臺，對大空間建筑中常見的豎向熱羽流對橫向冷射流的影響規律進行鹽水模擬實驗研究。借助速度比例尺解決了冷射流與熱羽流系統的相似同步性問題。實驗結果表明：在豎向熱羽流作用下，橫向冷射流的運動軌跡將發生向上的偏轉。單股豎向熱羽流對單股橫向冷射流對作用點上游的冷射流軌跡沒有明顯干擾作用，冷射流軌跡的抬升主要表現在作用點下游的冷射流末段。在兩個熱源形成的兩股豎向熱羽流作用下，單股橫向冷射流的運動軌跡發生的偏轉量增大；豎向熱羽流與橫向冷射流的作用點不同，冷射流運動軌跡受到的干擾作用大小也不同，在冷射流初段，冷射流的慣性力作用較強，不易受熱羽流干擾，而在冷射流末段，冷射流慣性力減弱，易受熱羽流干擾；相對于單股冷射流在兩股熱羽流作用下的運動來說，兩股冷射流疊加后，熱羽流的干擾作用有所減弱。

大空間；鹽水實驗；熱羽流；冷射流；射流軸心斷面速度分布

隨著城市建設和現代建筑的增加，大空間室內熱環境及其舒適性研究逐漸為人們所關注[1]。目前高大空間建筑分層空調普遍采用噴口側送的氣流組織形式。在實際工程中對于噴口側送的氣流組織形式來說，大多只是簡單地套用半經驗射流公式進行噴口送風氣流組織計算，這種計算方法實際忽略了很多其他因素，如室內熱源的性質和位置等[2]。大空間建筑內熱源形成的熱源羽狀流是一種不容忽視的氣流運動，特別是在人員較多，設備發熱量大的場所，簡單套用半經驗射流公式就無法考察熱羽流浮升力對射流軌跡的干擾，因此氣流組織計算結果會有偏差。

目前模擬非等溫氣流運動的液態模型實驗多以鹽溶液作為實驗介質。鹽水模型實驗在室內氣流分布研究領域中的應用始于20世紀90年代，Linden等[3]在1990年首次把鹽水模型實驗研究方法應用于置換式自然通風的研究。Baines[4-5]提出一種測試羽流的新方法，并利用鹽水模型實驗對該方法進行了實驗驗證。南華大學劉迎云等[6-7]利用鹽水溶液在清水中的擴散運動模擬室內冷射流運動。哈爾濱工業大學王磊、高軍等[8-11]，利用鹽水模型實驗方法對熱壓作用下的自然通風進行了研究。鹽水模型實驗雖然在室內氣流分布領域的研究中展示了其獨特的優勢，但現有文獻中有關利用鹽水同時模擬自然對流與機械流動，及其相互作用的研究成果鮮有報道。

本文在國內外相關研究基礎上，主要針對豎向自然流動對橫向機械流動的干擾問題，利用鹽水實驗模擬其運動，并對其規律加以分析，為今后大空間噴口送風氣流組織設計計算提供參考依據。

1 鹽水模型實驗設計思路

課題以上海理工大學新大空間實驗基地為原型，根據相似理論，搭建了幾何比例尺為1:20的液態模型實驗臺。實驗臺可分為冷射流系統、熱羽流系統、主環境水箱、流場觀測系統、管路及附件等組成部分，如圖1所示。

利用不同濃度鹽水模擬熱羽流與環境空間、利用清水模擬冷射流。為能夠實現熱羽流自然對流運動，本次射流與羽流運動系統為倒置系統。

冷射流注入口是模型空間主要的入口邊界條件，不僅體現在其幾何尺寸上，也體現在冷射流的出流特征。為此，本實驗臺專門設計了文丘里噴嘴作為冷射流的注入口，其結構如圖2所示。

點熱源形成的熱羽流是沒有初動量的純羽流。而在液態模型實驗中，羽流注入口無法實現零初速和點源，模擬羽流的介質總是從一定尺寸的注入口中以一定的流速流出的，也即虛源點是在熱羽流注入口后方某一位置處。目前在液態模型實驗模擬熱羽流的研究中應用最廣泛的羽源注入口裝置是由Paul Cooper設計的，裝置結構如圖3所示。

該裝置使熱羽流介質先通過一個細小的開孔進入一個相對較大的圓柱形空腔內，然后再通過設置有致密網格的開口注入主環境水箱，使熱羽流鹽水通過突擴的開口以紊流狀態注入一個相對較大的圓柱形空腔內，進而使熱羽流鹽水以紊流的流態流出熱羽流注入裝置的開口。該熱羽流注入口裝置不僅補償了虛擬源的位置還可減小鹽水的初始動量。

通過對氣流運動控制方程組和液態流體運動控制方程組的分析，結合相似理論分析了氣流運動和液態流體運動的相似性，并推導得到液態模型實驗的相似準則數為Re、Ar和Pr(Sc)，考慮到自?；F象和忽略次要因素，確定以Ar作為主要準則數，以此作為設計搭建液態模型實驗臺的依據。

原型中的熱源與模型中羽流鹽水注入的模擬不能簡單套用冷射流系統相似比例尺，而應以浮力通量相似作為源相似的重要條件。以速度相似比例尺作為與冷射流系統相聯系的條件。

在原型空間中，對于發熱量為Wn的熱源：

Wn=(T-T0)cpρ0Qn

(1)

(2)

式中：Wn為熱源發熱量，J/s;cp為空氣定壓比熱容，J/(kg·K)；Qn為熱源附近被加熱的空氣的流量，m3/s；ρ為熱源附近空氣被加熱后的密度，kg/m3；ρ0為環境空氣密度，kg/m3；T為熱源附近空氣被加熱后的溫度，K；T0為環境空氣溫度，K。

在鹽水流動和空氣運動中，羽源體積流量分別為Qm和Qn，密度分別為ρm和ρn，周圍環境密度分別為ρm0和ρn0，重力加速度分別為gm和gn，則兩者的折減重力加速度分別為：

(3)

(4)

浮力通量定義為羽流的體積流量Q與折減重力加速度g′的乘積。對于模型空間來說，熱羽流鹽水的浮力通量為：

(5)

式中：Bm為鹽水浮力通量，m4/s3；Qm為熱羽流體積流量，m3/s。原型空間中，熱羽流浮力通量為：

(6)

式中：Bn為熱羽流浮力通量，m4/s3；β為熱膨脹系數，K-1。

(7)

經推導，冷射流系統與羽流系統設計相似比例尺分別如表1和表2所示。

2 液態模型實驗系統

2.1 實驗系統概述

圖4為實驗臺實物圖。該實驗臺原型實驗基地設置上下兩排各8個噴口，噴口出口尺寸為373 mm，每排噴口間距為1.5 m，兩排噴口高度分別為8.15 m和5.5 m。實驗臺冷射流系統配備了三種不同尺寸的文丘里噴嘴，可根據不同實驗工況隨時拆換，三種噴嘴尺寸分別為：18.7 mm、12 mm、8.7 mm，其中18.7 mm文丘里噴嘴對應實驗基地中的出口內徑為373 mm的噴口，其余兩種分別對應于工程中常見的兩個型號的噴口：240 mm、174 mm。實驗臺羽流系統根據不同熱源強度設計了兩種不同尺寸的羽流注入口，也可根據模擬熱源強度的不同隨時拆換，兩種羽流注入口的出口尺寸分別為5 mm和10 mm。

2.2 實驗測試概述

1)測試對象

利用流速儀測試噴口射流軸心斷面速度分布，并以此作為描述熱羽流對冷射流干擾作用的分析對象。

2)測點布置及測試儀器

測點布置如圖5所示。流速測點共4列，每列15個測點，共60個測點。測點橫向間隔為200 mm，測點豎向間隔為20 mm。實驗采用4個流速傳感器同時測試同一水平面的4個測點，然后利用流速儀的采樣時間間隔豎向移動傳感器探頭20 mm，依次移動14次可完成全部60個測點的流速測試。

實驗所用測量設備為LGY—Ⅲ型多功能智能流速儀，該流速儀配置了新型流速旋漿傳感器，起動流速≤1 cm/s。流速測量范圍：1～300 cm/s；采樣時間：1～99 s任選。

3 實驗工況

實驗工況及參數設定如表3所示。

注：環境水箱鹽水密度為1003.59 kg/m3；冷射流介質采用清水，密度為998.303 kg/m3；對應原型環境空間空氣溫度26 ℃，冷射流送風溫差8 ℃。

4 實驗結果及分析

4.1 單股熱羽流對單股冷射流的干擾

圖6、圖8所示為單股冷射流運動的軸心斷面速度分布圖，圖7、圖9和圖10所示為單股冷射流在單股熱羽流作用下的軸心斷面速度分布圖。熱羽流注入口的水平位置在x=50 cm處，與模型相對應，原型中熱源位置位于x=10 m處。

對比單股冷射流運動的速度分布圖可知，受豎向熱羽流的作用，作用點下游附近冷射流的速度擴散范圍變小，以初速度為5 m/s的冷射流為例，受500 W熱源形成的豎向熱羽流作用，在x=12 m(作用點下游相距2 m)處的冷射流速度擴散范圍(以v=0.2 m/s邊界)減小了約12%；豎向熱羽流作用于橫向冷射流的中段時，冷射流的速度擴散在二者相互作用點上游保持其基本的結構，但中心區域的速度擴散明顯后推，以原型初速為8 m/s的單股冷射流為例，其中心區域末端位置為x=9.1 m，在發熱量為500 W熱源形成的熱羽流作用下，其中心區域后推至x=10 m。

實驗結果表明，在熱源形成的豎向熱羽流作用下，橫向冷射流的運動軌跡發生了向上的偏轉；在相同發熱量熱源形成的熱羽流作用下，初速為8 m/s的冷射流的運動軌跡受到的干擾比初速為5 m/s的冷射流?。粚τ诔跛贋? m/s的水平冷射流來說，發熱量大的熱源(1000 W)對其運動軌跡的干擾強于發熱量小的熱源(500 W)；單股豎向熱羽流對單股橫向冷射流對作用點上游的冷射流軌跡沒有明顯干擾作用，冷射流軌跡的抬升主要表現在作用點下游的冷射流末段。

4.2 兩股熱羽流對單股冷射流的干擾

圖11、圖12和圖13所示為不同工況單股冷射流在兩股熱羽流作用下的軸心斷面速度分布圖。羽源注入口的水平位置分別在x=30 cm和x=70 cm處，與模型相對應，原型中熱源位置位于x=6 m和14 m處。

兩股相同強度的豎向羽流分別作用于橫向射流的初段和末端，由圖可以看出：初速為5 m/s和8 m/s的冷射流初段速度擴散均能保持其基本結構，但中心區域的速度擴散明顯后推，以原型初速為8 m/s的單股冷射流為例，其中心區域末端位置為x=9.1 m，在兩個發熱量為500 W熱源形成的熱羽流作用下，其中心區域后推至x=12.4 m；兩股相同強度的熱羽流作用于冷射流的初段和末段，在這兩個作用點處對射流運動軌跡的干擾作用大小各不相同，以兩個1000 W熱源形成的兩股羽流作用下的8 m/s冷射流為例，在x=6 m處，冷射流軸心軌跡豎向偏移量基本保持不變，在x=14 m處，冷射流軸心軌跡上升了約0.7 m。

實驗測試結果表明：在兩個熱源形成的兩股豎向熱羽流作用下，單股橫向冷射流的運動軌跡發生的偏轉量增大；豎向熱羽流與橫向冷射流的作用點不同，冷射流運動軌跡受到的干擾作用大小也不同；兩股相同強度的豎向熱羽流分別作用于冷射流的初段和末段，熱羽流對冷射流初段的運動軌跡無明顯干擾作用，而對冷射流末段的運動軌跡干擾作用明顯，說明在冷射流初段，冷射流的慣性力作用較強，不易受熱羽流干擾，而在冷射流末段，冷射流慣性力減弱，易受熱羽流干擾。

4.3 兩股熱羽流對兩股疊加冷射流的干擾

工況9和工況10分別測試了兩股冷射流疊加和兩股疊加冷射流在兩股熱羽流作用下的運動情況，其軸心斷面速度分布分別如圖14和圖15所示。兩股冷射流的噴口間距為7.5 cm，與模型相對應，原型中兩噴口間距為1.5 m。羽源注入口的水平位置分別在x=30 cm和x=70 cm處，與模型相對應，原型中熱源位置位于x=6 m和14 m處。

由兩股冷射流疊加運動速度分布圖對比單股冷射流運動的速度分布圖可以看出：在冷射流初段冷射流的運動軌跡和速度擴散保持其基本結構，冷射流中段(約x=8 m處)，冷射流軌跡開始發生偏轉，兩股冷射流運動的速度疊加后軸心軌跡在x=16 m處上升了約0.91 m；在x=16 m處，冷射流的速度擴散范圍(以v=0.2 m/s邊界)增加了約11%；由于兩股冷射流的疊加效應，冷射流的中心區域的速度擴散明顯后推，以原型初速為5 m/s的單股冷射流為例，中心區域末端位置為x=8.9 m，兩股冷射流疊加后，其中心區域后推至約x=9.5 m處。再對比兩股橫向冷射流在兩股豎向熱羽流作用下的速度分布圖可以看出：在冷射流初段冷射流的運動軌跡和速度擴散保持其基本結構，在末段的作用點(x=14 m)處，冷射流的速度擴散范圍(以v=0.2 m/s邊界)減小了約13%；在冷射流中段前端(約x=6 m處)，冷射流軌跡開始發生偏轉，在兩股500 W熱源形成的熱羽流作用下，初速為5 m/s的兩股冷射流疊加后在x=16 m處軸心軌跡上升了約0.40 m。實驗結果表明，相對于單股冷射流在兩股熱羽流作用下的運動來說，兩股冷射流疊加后受熱羽流的影響相對較小。

5 結論

1)借助相同速度比例尺，可實現冷射流系統與熱羽流系統的相似同步性，模擬二者相互運動規律。

2)在單個熱源形成的單股豎向熱羽流作用下，單股橫向冷射流的運動軌跡發生了向上的偏轉。受豎向熱羽流的作用，作用點下游附近冷射流的速度擴散范圍變小。

3)在兩個熱源形成的兩股豎向熱羽流作用下，單股橫向冷射流的運動軌跡發生的偏轉量增大。豎向熱羽流與橫向冷射流的作用點不同，冷射流運動軌跡受到的干擾程度也不同：在冷射流初段，冷射流的慣性力作用較強，不易受熱羽流干擾，而在冷射流末段，冷射流慣性力減弱，易受熱羽流干擾。

4)相對于單股冷射流在兩股熱羽流作用下的運動來說，兩股冷射流疊加后，熱羽流的干擾作用有所減弱。

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About the author

Wang Xin, female, associate professor, School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology,+86 21-55271045,E-mail:wangxinshiyun@126.com. Reasearch fields: thermal environment in large space buildings and building energy conservation.

Analysis of Salt-bath Scaled Model on Horizontal Cold Jet Effected by Vertical Thermal Plume in Large Space

Wang Xin1Liang Yun2Ye Lifei1Ma Jingsi1

(1.School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. Shanghai Jianke Building Energy Assessment & Consultancy Co., Ltd., Shanghai, 200032, China)

Based on the similarity theory, a box containing liquid aimed to model the indoor air distribution in a large space building was constructed, and the liquid experiments were taken to explore the pattern of the effect of the vertical developing plumes on the horizontal jets in large space buildings. The velocity ratio of the model to the prototype was taken to figure out the similarity between the cold jets and the thermal plumes. The results of the experiments show that, under the effect of the vertical developing plumes, the motion curve of the horizontal jets deviated upward. The single plume has little effect on the forepart before the countering point of the plume and jet. The raising of the jet curve is in the terminal of the cold jet. Under the effect of the two plumes, the deviation of a single jet increased. The deviation of the jet curve differs with the countering point of the plumes and the jet changing. In the forepart of the jet, the initial force of the jet predominates, thus the curve is not easy to deviate. However, in the terminal of the jet, the initial force of the jet weakens, and the curve is easy to be disturbed by the plume. Compared with the effect of different plumes, the effect of two plumes on the motion of the single jet weakens after two jets interact.

large space; salt-bath experiment; thermal plume; cold jet; velocity distribution of the jet axis section

0253- 4339(2015) 01- 0045- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.045

國家自然科學基金(51108263 & 51278302)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51108263 & No.51278302).)

2014年1月16日

TB61+1； TU831

A

王昕，女，副教授，上海理工大學環境與建筑學院，(021)55271045，E-mail: wangxinshiyun@126.com。研究方向：大空間建筑室內熱環境及節能研究。