排風(fēng)口葉片形狀對排風(fēng)效率的影響研究

陸 萍,吳大衛(wèi),沈曉麗,方 愷,何雨華,金 佳

(同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200092)

排風(fēng)口葉片形狀對排風(fēng)效率的影響研究

陸 萍,吳大衛(wèi),沈曉麗,方 愷,何雨華,金 佳

(同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200092)

為提高通風(fēng)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，采用CAD制圖技術(shù)設(shè)計了幾種不同形狀的排風(fēng)口，制作出實(shí)物模型并應(yīng)用這幾種不同形狀的排風(fēng)口以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，利用風(fēng)速儀采集模擬空間內(nèi)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，研究了排風(fēng)設(shè)備排風(fēng)口的形狀對排風(fēng)效率的影響. 通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比和分析，得出了排風(fēng)口形狀和排風(fēng)效率的關(guān)系，并指出了提高通風(fēng)系統(tǒng)整理效率的研究方向.

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn);排風(fēng)系統(tǒng);CAD;實(shí)時測量；葉片形狀

同濟(jì)大學(xué)汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室及建筑風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著科研與教學(xué)的雙重任務(wù)，一般只有科研或者高年級相關(guān)專業(yè)學(xué)生才能有機(jī)會接觸. 在物理實(shí)驗(yàn)中，通常會利用“空氣動力儀”完成空氣阻力的測量實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證伯努利方程等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

近年來，隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，城市內(nèi)建筑的復(fù)雜程度也隨之提高，在密度較高的現(xiàn)代建筑中，對于排風(fēng)設(shè)備的要求也越高. 在生活生產(chǎn)中不可避免地需要身處于室內(nèi)風(fēng)環(huán)境中，必須有效地將室內(nèi)與室外的空氣環(huán)境連接起來. 如果排風(fēng)系統(tǒng)不能起有效作用，那么人們的生活環(huán)境、身體健康都會受到損害. 工業(yè)生產(chǎn)中，如果沒有排風(fēng)系統(tǒng)，那么工作效率也會受到影響，甚至?xí)霈F(xiàn)安全隱患，比較典型的生產(chǎn)環(huán)境有礦井、車間、廚房等，由于排風(fēng)系統(tǒng)的缺乏或者不完善造成的事故實(shí)在是數(shù)不勝數(shù)，這種易產(chǎn)生浮塵顆粒的環(huán)境很容易達(dá)到爆炸極限，遇到明火慘劇瞬間就會發(fā)生. 因此室內(nèi)排風(fēng)的問題也逐漸受到人們的重視.

排風(fēng)是改善空氣條件的一種方法，它包括從室內(nèi)排出污濁空氣和向室內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣2個方面. 前者稱為排風(fēng)，后者稱為送風(fēng)，為實(shí)現(xiàn)排風(fēng)送風(fēng)所采用的一系列設(shè)備、裝置的總體稱為排風(fēng)系統(tǒng). 此外，排風(fēng)設(shè)備在其他科學(xué)領(lǐng)域也都有十分廣泛的應(yīng)用，比如實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、冶煉廠等. 排風(fēng)設(shè)備的效率高低直接影響到人們的生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量.

1 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及構(gòu)思

1.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用直流式低速風(fēng)洞. 風(fēng)洞之所以被廣泛應(yīng)用于解決空氣動力學(xué)的問題，是因?yàn)樗泻芏鄡?yōu)點(diǎn)：首先，實(shí)驗(yàn)可以在室內(nèi)條件下進(jìn)行，可以避免大氣環(huán)境變化的影響. 其次，與其他實(shí)驗(yàn)相比，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本也低了許多，而且隨著實(shí)驗(yàn)效率的不斷提高，成本還可以下降. 除此之外，測試儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b、操作和使用都十分方便. 最重要的一點(diǎn)是，實(shí)驗(yàn)中風(fēng)速、溫度、壓力、密度等都可以獨(dú)立變化，提高了實(shí)驗(yàn)的可行性，縮小了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差. 實(shí)驗(yàn)條件也易于控制，保證了實(shí)驗(yàn)過程中的安全性.

1.2 排風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)思

“建筑能耗在社會總能耗所占的比率已經(jīng)達(dá)到30%左右，是能源消耗的主要形式之一，用于暖通空調(diào)的能耗又約占85%，而空調(diào)運(yùn)行能耗的35%～45%為風(fēng)機(jī)水泵能耗. 國產(chǎn)通風(fēng)機(jī)的效率一般在85%以上，但在實(shí)際工程運(yùn)行中，通風(fēng)系統(tǒng)整體效率普遍低下，平均只有30%～40%，最高也只有60%，仍有相當(dāng)大的提升空間. 所以，提高通風(fēng)系統(tǒng)整體效率具有重要的節(jié)能減排意義”[1].

可以導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)效率降低的因素不僅數(shù)量繁多而且關(guān)系復(fù)雜，很明顯不是單獨(dú)某一方面因素所造成的，主要因素包括漏風(fēng)和流經(jīng)廢棄工作面、采空區(qū)而損失的風(fēng). 為了有效提高排風(fēng)設(shè)備的效率，實(shí)驗(yàn)選擇從改善排風(fēng)口形狀的角度，嘗試改良出高效低能耗的優(yōu)化排風(fēng)系統(tǒng). 本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用并改進(jìn)了風(fēng)洞設(shè)備，模擬了室內(nèi)排風(fēng)系統(tǒng)，并設(shè)計了已知通風(fēng)效率較高的3種不同形狀的排風(fēng)口，應(yīng)用它們進(jìn)行了多次測量實(shí)驗(yàn)，通過監(jiān)測和記錄每次實(shí)驗(yàn)下的風(fēng)速，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的整理及分析計算得到了排風(fēng)口最佳的形狀.

2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)儀器除風(fēng)洞機(jī)外均用CAD軟件畫出模型后制作所得，主要包括以下幾部分：

1) 1 m×1 m×1 m的空心立方體. 兩側(cè)均有3×3個直徑為2 cm的圓孔(供測風(fēng)計測量用). 空心立方體模擬室內(nèi)房間環(huán)境.

2) 風(fēng)速測量儀，德國德圖高精度熱敏式風(fēng)速儀test0405-V1.

3) 直流式低速風(fēng)洞，口徑大，可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)段速度范圍為0～100 m/s.

4) 3種不同形狀的排風(fēng)口：a.田字格葉片(風(fēng)洞機(jī)自帶);b.水平型葉片;c.發(fā)散型葉片.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 通風(fēng)原理

通風(fēng)分為全面通風(fēng)和局部通風(fēng)2種. 全面通風(fēng)是針對對整個房間進(jìn)行通風(fēng)換氣，把整個房間里面的有害物質(zhì)濃度稀釋到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的允許濃度以下. 局部通風(fēng)是指為了使局部空間不受污濁空氣污染，利用局部氣流循環(huán)交換，以形成良好的的空氣環(huán)境.

3.2 直流式低速風(fēng)洞

風(fēng)洞是用來產(chǎn)生人造氣流(人造風(fēng))的管道. 在風(fēng)洞中，風(fēng)扇向右端鼓風(fēng)而使空氣從左端外界進(jìn)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段. 穩(wěn)定段的蜂窩器和阻尼網(wǎng)使氣流得到梳理與均勻，然后由收縮段使氣流得到加速而在實(shí)驗(yàn)段中形成流動方向一致、速度均勻的穩(wěn)定氣流.

3.3 葉片角度選擇

出風(fēng)口尺寸如圖2所示，計算許可角度θ. 假設(shè)側(cè)視圖(圖2)中兩葉片左端距離為

則最小角度θ滿足

θ=arctan 1.073 8=47°,

因此葉片傾斜角度β>α>47°.

實(shí)際實(shí)驗(yàn)時使得α=55°,β=70°，并且將傾斜的葉片稍作平移，以取得更好的出風(fēng)效果(圖3).

圖2 側(cè)視圖 圖3 葉片傾斜角度

4 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將空心立方體與風(fēng)洞機(jī)進(jìn)行連接，開啟風(fēng)洞機(jī)，選擇合適的風(fēng)速，以使風(fēng)速儀有較明顯的讀數(shù)且不會使得空心立方體內(nèi)壓力過大，產(chǎn)生危險. 插入風(fēng)力測速儀確保連接緊密無風(fēng)逃逸.

2)安裝好第一種形狀(田字格葉片)的排風(fēng)口，開啟風(fēng)洞機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，待風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時間后，模擬環(huán)境內(nèi)風(fēng)速環(huán)境較為穩(wěn)定，此時用風(fēng)力測速儀在空心立方體的兩側(cè)各9個孔洞的邊緣與中心位置測量18組風(fēng)速數(shù)據(jù).

3)關(guān)閉風(fēng)洞機(jī)，但不要改變風(fēng)速旋鈕的位置.

4)分別更換其余2種形狀(水平型葉片、發(fā)散型葉片)的排風(fēng)口，重復(fù)步驟2)和3).

5)控制無關(guān)變量進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以減小誤差.

6)關(guān)閉風(fēng)洞，結(jié)束實(shí)驗(yàn).

7)整理并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理

1) 風(fēng)機(jī)風(fēng)速為1.06 m/s.

2) 空心立方體內(nèi)各個記錄點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)如表1所示，其中加黑數(shù)據(jù)為出風(fēng)口風(fēng)速. 數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)如圖4所示，A組9個數(shù)據(jù)點(diǎn)在中心平面上，B組9個數(shù)據(jù)點(diǎn)在靠左邊壁平面上. C組9個數(shù)據(jù)點(diǎn)平面與B組數(shù)據(jù)對稱靠右邊壁，對應(yīng)點(diǎn)風(fēng)速相同，因此只記錄一組靠壁平面數(shù)據(jù)點(diǎn)風(fēng)速.

圖4 數(shù)據(jù)點(diǎn)位置圖

葉片類型v/(m·s-1)靠壁中心0．0650．1500．0150．1600．0650．045田字格0．0700．1000．0250．8200．8700．7950．0750．0950．0250．0850．1400．1050．1050．1750．1250．1450．2200．160水平型0．1000．1250．0851．0500．4100．4900．1000．0700．0500．1200．1100．1650．0800．0950．0550．1050．1250．135發(fā)散型0．1100．0950．0750．6200．4850．5150．0700．0800．0700．0750．1100．105

實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如表2所示，其中加黑數(shù)據(jù)為出風(fēng)口風(fēng)能傳遞效率.

表2 3種形狀葉片的風(fēng)能傳遞效率

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)作風(fēng)能傳遞效率圖如圖5所示，其中橫縱坐標(biāo)表示數(shù)據(jù)點(diǎn)位置，圓形面積代表風(fēng)能傳遞效率的大小.

(a)靠壁平面風(fēng)能傳遞效率

(b)中心平面風(fēng)能傳遞效率圖5 風(fēng)能傳遞效率圖

1) 實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口位置風(fēng)速儀示數(shù)波動最小,靠壁處風(fēng)速波動比較大，記錄數(shù)據(jù)時通過多次實(shí)驗(yàn)略微縮小了波動范圍.

2) 田字格葉片在水平葉片的基礎(chǔ)上加了豎直葉片，交叉成田字型，風(fēng)速波動變小，出風(fēng)更加平穩(wěn)，但效率更低.

3) 發(fā)散型葉片在更短時間內(nèi)使風(fēng)傳遞到房間各個角落，較水平型葉片風(fēng)速波動較為平緩，然而效率也更為低下.

4) 出風(fēng)口風(fēng)速：水平>田字>發(fā)散(可分析葉片形狀對出風(fēng)量損失情況，損失大小:水平<田字<發(fā)散).

5) 在出風(fēng)口平面上田字格葉片風(fēng)速變化最小，出風(fēng)最均勻(但是整個空間一起分析的話是發(fā)散型葉片出風(fēng)最均勻：各點(diǎn)數(shù)據(jù)相差較小).

6) 在不考慮能耗情況下，發(fā)散式葉片可根據(jù)房間實(shí)際情況調(diào)整角度(如實(shí)驗(yàn)中，55°和70°為最佳角度)達(dá)到最佳送風(fēng)效果，可使如火車站、機(jī)場等大型共送場所得到最佳的用戶體驗(yàn).

7) 在不考慮出風(fēng)穩(wěn)定性的情況下，水平型葉片效率最高，能耗最小，可應(yīng)用如醫(yī)院、商場等大型場所.

6 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)借助風(fēng)洞模擬了排風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)多次測量統(tǒng)計后得出了3種排風(fēng)口對排風(fēng)效率的影響程度. 風(fēng)洞的巧妙利用是實(shí)驗(yàn)成功的首要因素，實(shí)驗(yàn)中的低速直流式風(fēng)洞產(chǎn)生的風(fēng)量均勻而且平穩(wěn)

可控制. 風(fēng)洞設(shè)備的安全易操縱，簡化了實(shí)驗(yàn)步驟，縮短了實(shí)驗(yàn)時間. 根據(jù)已有資料來看，目前排風(fēng)系統(tǒng)的效率最高也僅有60%，平均效率甚至更低，只在30%～40%之間，所以仍然有較大的提升空間，由于通過僅改變排風(fēng)口形狀就可以有效提高效率增加收益，因此這一改良也擁有廣泛的商業(yè)前景. 在工程中，改變排風(fēng)口的形狀對成本幾乎沒有影響，合適的排風(fēng)口可以提高系統(tǒng)效率，降低能耗，節(jié)能減排，促進(jìn)一系列的效益. 優(yōu)化改良排風(fēng)系統(tǒng)意義重大. 在商業(yè)上提高經(jīng)濟(jì)收益，而基于生活，則保證了人們的安全和健康，可謂是一舉兩得.

[1] 劉海，康寧. 某工程通風(fēng)系統(tǒng)整體效率實(shí)驗(yàn)研究[J]. 四川建材，2013，39(5)：237-239.

[2] 陳妙芳. 建筑設(shè)備[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2009:201-202.

[3] 夏卿，錢仰德. 空氣阻力系數(shù)測試儀[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2016,36(8):16-20.

[4] 馮禹,習(xí)爽,何雨華,等. 利用保羅機(jī)械阱探究囚禁粒子的動力學(xué)特性[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2016,36(2):1-6.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Effects of air outlet shapes on ventilating efficiency

LU Ping, WU Da-wei, SHEN Xiao-li, FANG Kai, HE Yu-hua, JIN Jia

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To improve the efficiency of ventilating system, the effects of different air outlet shapes were investigated. By modifying and applying wind tunnels, the indoor winding environment was simulated. Applying CAD cartographic technique to design several shapes of air outlets, several air outlets were designed for multiple experiments, wind speed were collected using anemograph. Based on the results of the measurement, the relationship between air outlet shapes and ventilating efficiency was concluded. The result of this experiment indicated the direction of our future research on improving the efficiency of whole ventilating system.

wind tunnel test; ventilating system; CAD; real time measurement; blade shape

2016-05-26

陸 萍(1984-)，女，上海人，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院教師，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理工作.

O355

A

1005-4642(2017)06-0019-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文