彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)氣流相互作用原理分析

石盼弟 余 濤 袁艷平

彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)氣流相互作用原理分析

石盼弟 余 濤 袁艷平

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)是一種利用多孔吊頂板作為末端向房間送風(fēng)的新型通風(fēng)方式，可實(shí)現(xiàn)低溫送風(fēng)且室內(nèi)人員區(qū)無(wú)冷風(fēng)感。然而，該通風(fēng)系統(tǒng)中熱源羽流與送風(fēng)射流的相互作用原理缺乏相關(guān)研究。采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立了彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)射流與熱羽流相互作用模型，分析了熱羽流與送風(fēng)氣流的相互作用規(guī)律。結(jié)果表明：熱羽流和送風(fēng)射流會(huì)在某個(gè)高度強(qiáng)烈混合，混合區(qū)域內(nèi)熱羽流浮力作用與送風(fēng)射流動(dòng)量相當(dāng)；相互作用面高度隨熱源功率的增加而增加，隨送風(fēng)速度的增加而減小；且當(dāng)熱源大小與送風(fēng)速度一定時(shí)，熱羽流所受浮力大小幾乎不變，作用面高度與送風(fēng)溫度基本無(wú)關(guān)。本研究可為彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

彌散吊頂通風(fēng)；熱羽流；送風(fēng)射流；浮力作用

0 引言

目前，民用建筑中最常見(jiàn)的通風(fēng)系統(tǒng)是混合通風(fēng)與置換通風(fēng)。混合通風(fēng)利用送風(fēng)射流的誘導(dǎo)作用，從天花板或側(cè)墻提供高動(dòng)量空氣與室內(nèi)空氣混合，進(jìn)行熱濕交換。置換通風(fēng)則是將空氣以低風(fēng)速、低紊流度、小溫差的方式，直接送入人員活動(dòng)區(qū)的下部，與室內(nèi)空氣混合進(jìn)行熱濕交換。兩種通風(fēng)系統(tǒng)都能達(dá)到送風(fēng)目的，但在高負(fù)荷、大風(fēng)量、低溫送風(fēng)時(shí)，兩種系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)熱舒適性差、能耗高、噪音等問(wèn)題[1]。

彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)（Diffuse Ceiling Ventilation System, DCV）作為一種新型的氣流組織方式，起源于歐洲，最初應(yīng)用于豬舍[2,3]等大型牲畜建筑物，該通風(fēng)系統(tǒng)能耗小、投資成本低、可以實(shí)現(xiàn)低溫送風(fēng)且室內(nèi)人員無(wú)冷風(fēng)感、送回風(fēng)溫差大等特點(diǎn)[4,5]，近年來(lái)也逐漸應(yīng)用在辦公室、學(xué)校等室內(nèi)負(fù)荷較大的建筑中。學(xué)者[6,7]對(duì)該系統(tǒng)的送風(fēng)特性、室內(nèi)熱舒適性以及適用性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，但彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)下熱羽流與送風(fēng)射流的相互作用過(guò)程缺乏深入研究。

本文以彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)下室內(nèi)單點(diǎn)源為研究對(duì)象，基于熱羽流理論和送風(fēng)射流理論，利用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)該通風(fēng)系統(tǒng)下氣流的相互作用過(guò)程進(jìn)行分析。本研究有助于完善彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)有理論。

1 DCV下熱羽流與送風(fēng)射流相互作用過(guò)程

1.1 彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)原理

該通風(fēng)系統(tǒng)由靜壓室（吊頂與樓板間的空間）、多孔吊頂板、下部房間三部分組成，如圖1所示。

圖1 彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

DCV首先將新鮮空氣供應(yīng)到靜壓室內(nèi)，由于靜壓室的均壓作用，新鮮空氣通過(guò)多孔吊頂板均勻擴(kuò)散到下部房間，達(dá)到通風(fēng)降溫的目的。該通風(fēng)系統(tǒng)是以整個(gè)多孔吊頂板作為送風(fēng)末端，風(fēng)口面積大，新鮮空氣以較低速度進(jìn)入下部房間。利用送風(fēng)氣流的低動(dòng)量和室內(nèi)熱源的羽流作用，在吊頂下部進(jìn)行氣流混合，人員區(qū)無(wú)冷風(fēng)感，故可實(shí)現(xiàn)低溫送風(fēng)。

送風(fēng)射流與熱羽流在下部房間內(nèi)某一平面處發(fā)生劇烈混合。把發(fā)生氣流劇烈混合的面定義為相互作用面，相互作用面所對(duì)應(yīng)的距熱源頂部的距離稱為相互作用面高度。當(dāng)該高度大于0時(shí)，冷氣流無(wú)法到達(dá)人員區(qū)，無(wú)冷風(fēng)感。在作用面處，送風(fēng)射流的動(dòng)量變化與熱羽流所受到的浮力相等，如式（1）所示：

式中：浮為熱羽流所受的浮力大小，N；F為送風(fēng)射流在作用面高度處的力，N，該力等于送風(fēng)射流的動(dòng)量變化量。

1.2 熱羽流與送風(fēng)射流相互作用理論

1.2.1 熱羽流理論分析

熱羽流是因靠近熱源的氣體受熱而溫度升高，密度減小，相對(duì)于周圍的氣體出現(xiàn)局部的密度差而產(chǎn)生浮力的一種常見(jiàn)的對(duì)流現(xiàn)象[8]。熱羽流分析是以經(jīng)典的點(diǎn)源理論為基礎(chǔ)的，但工程應(yīng)用中最常遇到的問(wèn)題是實(shí)體熱源，即面熱源或體熱源。目前常用的計(jì)算實(shí)體熱源的方法有三個(gè)：虛擬點(diǎn)源法、積分法和數(shù)值模擬法。文獻(xiàn)中[9]Skistad等人推薦的方法就是虛擬點(diǎn)源法，即真實(shí)熱源的羽流可以認(rèn)為是在熱源下方某一位置處的虛擬點(diǎn)源的羽流。

本文對(duì)熱羽流的分析采用的基本假設(shè)包括：卷吸假設(shè)、相似假設(shè)和密度假設(shè)。點(diǎn)源浮力羽流中控制流動(dòng)最主要的參數(shù)是浮力通量，可由下式計(jì)算[10]：

其中，為速度擴(kuò)散系數(shù)，為溫度擴(kuò)散系數(shù)。故點(diǎn)源浮力羽流在高程斷面上的體積流量為：

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題與消除空間參數(shù)，本文采用高帽分布，而且大量的研究結(jié)果表明，高帽分布能較好的描述羽流的運(yùn)動(dòng)發(fā)展情況。故羽流的軸心速度和折算重力加速度的表達(dá)式為：

故羽流所受的浮升力為：

式中，，的值根據(jù)文獻(xiàn)[13,14]取=96，=71進(jìn)行計(jì)算。故由式（2）和式（8）可得出羽流上升過(guò)程中所受的浮力大小：

面熱源與體熱源的羽流量計(jì)算一般用到虛擬點(diǎn)源法，此方法的關(guān)鍵就虛擬極點(diǎn)距的確定。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，面熱源的虛擬極點(diǎn)距z一般是2.3—1.6，則對(duì)于直徑為的圓形面熱源，其浮力羽流量為：

同理，體熱源的虛擬極點(diǎn)距可以根據(jù)文獻(xiàn)[10]提出的經(jīng)驗(yàn)公式得出：

無(wú)限空間自然對(duì)流換熱的經(jīng)驗(yàn)公式：

層流：=0.6，=1/5；紊流：=0.17，=1/4。經(jīng)計(jì)算，在模擬的熱源大小范圍內(nèi)，Ra最小為1.8×108，顯然，熱源側(cè)壁流動(dòng)處于層流狀態(tài)，所以選用層流公式進(jìn)行側(cè)面豎壁自然對(duì)流邊界層厚度的計(jì)算。

由上所述，圓柱體熱源熱羽流的羽流量公式為：

由于面熱源與體熱源的羽流量公式是利用虛擬點(diǎn)源法，所以面熱源與體熱源羽流上升過(guò)程中所受的浮力大小和點(diǎn)熱源熱羽流的浮力公式相等。

1.2.2 送風(fēng)射流的理論分析

通風(fēng)空調(diào)工程中所遇到的氣流運(yùn)動(dòng)，大都是非等溫送風(fēng)。非等溫送風(fēng)射流是以動(dòng)量和浮力為原動(dòng)力進(jìn)行送風(fēng)。但由于本次研究中送回風(fēng)溫差太小，所以送風(fēng)射流的浮力忽略不計(jì)，因此僅考慮送風(fēng)射流Z軸上動(dòng)量的變化，且本次研究以豎直向上的方向?yàn)檎较騕16]。

當(dāng)流體流過(guò)固體或者流體時(shí)，該流體可能會(huì)對(duì)流過(guò)的固體或者流體產(chǎn)生力的作用。因此對(duì)該方向上的送風(fēng)射流應(yīng)用動(dòng)量守恒定理，則送風(fēng)射流作用在作用面處的力由下列公式計(jì)算得出：

1.2.3 兩氣流相互作用

依據(jù)上述點(diǎn)源熱羽流理論和送風(fēng)射流理論，將式（9）和式（11）代入到式（1）就可以得出DCV下兩氣流在相互作用面處的理論解式（12）。

2 結(jié)果分析

2.1 單羽流作用的計(jì)算方法驗(yàn)證

熱羽流作用可采用理論分析、實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。為驗(yàn)證DCV下單羽流作用的計(jì)算方法是否合理，本文擬采用文獻(xiàn)[17]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱羽流理論和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]中采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究了上下通風(fēng)口分別設(shè)置在地面和屋面處，熱源為點(diǎn)熱源的單羽流作用過(guò)程。以該文獻(xiàn)中的測(cè)點(diǎn)（=0.4m，=0.4m，=0-1m）處的實(shí)驗(yàn)溫度與熱羽流的理論速度分布為驗(yàn)證依據(jù)。面熱源與體熱源的驗(yàn)證與點(diǎn)熱源相同，本文不在贅述，只分析面熱源與體熱源的氣流混合特性。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型圖

本文采用Fluent軟件模擬單點(diǎn)源的熱羽流作用，將房間簡(jiǎn)化成一個(gè)1m×1m×1m（L×W×H）正方體，室內(nèi)熱源簡(jiǎn)化為單獨(dú)一個(gè)點(diǎn)（長(zhǎng)方體足夠小）源置于地板正中間，模型和熱源附近的網(wǎng)格如圖3（a）、（b）所示。該熱羽流的數(shù)值模擬采用Realizable湍流模型，壓力項(xiàng)采用Body Force Weighted，氣體采用Boussinesq假設(shè)，出口為壓力出口。

圖4 溫度和速度分布對(duì)比圖

圖4（a）為測(cè)點(diǎn)d處實(shí)驗(yàn)溫度、模擬溫度與理論溫度的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)溫度與模擬溫度分布規(guī)律基本相同。理論溫度值在0.5m以下的變化趨勢(shì)不明顯，主要是由于本文采用的熱羽流理論沒(méi)有考慮溫度分層，而實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果存在溫度分層。

圖4（b）是某一高度處理論速度分布與數(shù)值模擬速度分布的對(duì)比圖，熱羽流在某一高度處為高斯分布。兩種方法得出的結(jié)果相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)。

因此，數(shù)值模擬采用上述湍流模型與邊界條件是合理的，可用于下一步對(duì)熱羽流與送風(fēng)射流相互作用特性的模擬研究。

2.2 熱羽流與送風(fēng)射流相互作用的計(jì)算方法驗(yàn)證

基于上述的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)熱羽流與送風(fēng)射流相互作用理論進(jìn)行驗(yàn)證。模型示意圖如圖2（a）所示，模擬房間大小為4m×4m×3m（L×W×H），房間底部距兩邊側(cè)墻0.5m的長(zhǎng)方形設(shè)為出口，頂部整個(gè)吊頂設(shè)為送風(fēng)速度入口。

為了更好的驗(yàn)證兩個(gè)氣流的相互作用，本文對(duì)不同熱源大?。?0W，100W，250W，300W）和不同送風(fēng)速度（0.25m/s—0.7m/s）多個(gè)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。基于兩氣流相互作用理論式（13）和Realizable-湍流模型以及速度入口邊界條件，在彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)下，對(duì)點(diǎn)熱源產(chǎn)生的熱羽流與送風(fēng)射流的相互作用面高度進(jìn)行數(shù)值模擬，并與理論公式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。不同工況下的相互作用面高度絕對(duì)誤差如圖5所示。

結(jié)果表明，模擬結(jié)果與理論結(jié)果的作用面高度曲線變化趨勢(shì)基本一致。理論結(jié)果與模擬結(jié)果的差異較小，相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)。因此，由理論公式得到的作用面高度是合理的。

圖5 不同熱源下相互作用面高度模擬值與理論值對(duì)比

2.3 熱羽流浮力

由熱源羽流理論公式可知，當(dāng)熱羽流單獨(dú)作用時(shí)，熱羽流所受的浮力在某一截面成高斯分布，且該截面一般為圓形截面。該截面上的單位面積浮力大小與距離地面高度的示意圖如圖6所示。圖6中當(dāng)距離地面高度一定時(shí)，單位面積上的浮力大小隨著熱源功率的增大而增加，這是由于高度一定時(shí)，面積相同，不同的熱源功率對(duì)應(yīng)不同的浮力通量所導(dǎo)致的。當(dāng)考慮送風(fēng)射流時(shí)，如果要使得熱羽流與送風(fēng)射流相互作用的高度保持一致，不同的熱源功率對(duì)應(yīng)需要不同的送風(fēng)速度，熱源功率大小與所需送風(fēng)速度成正比。

圖6 單羽流作用時(shí)單位面積的浮力與高度的關(guān)系圖

不同熱源大小下熱羽流所受的浮力通量0大小如表1所示。熱羽流所受浮力通量隨熱源增加而顯著增大。

表1 不同熱源大小的浮力通量值

2.4 點(diǎn)熱源氣流相互作用特性分析

熱源功率、送風(fēng)速度與送風(fēng)溫度對(duì)室內(nèi)熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)有重要的影響。在上述理論方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了不同熱源大小、送風(fēng)速度與送風(fēng)溫度下房間DCV系統(tǒng)的氣流相互作用面高度。

2.4.1 不同熱源大小下的作用面高度

圖7 不同熱源大小下的作用面高度

熱源大小對(duì)作用面高度的影響如圖7所示。根據(jù)兩氣流相互作用理論，送風(fēng)速度一定時(shí)，相互作用面高度會(huì)隨著熱源功率的增大而增高。這是因?yàn)槭覂?nèi)熱源功率越大，需要更多的送風(fēng)氣流來(lái)平衡熱羽流所產(chǎn)生向上的浮力。送風(fēng)速度越大，相互作用面高度隨著熱源功率大小的增大而緩慢增加，如圖7中速度0.7m/s曲線所示。送風(fēng)速度越小，相互作用面高度隨著熱源功率大小的增大而快速增加。

2.4.2 不同送風(fēng)速度下的作用面高度

圖8中，在相同熱源功率下，作用面高度隨送風(fēng)量的增加而逐漸減小。送風(fēng)速度的增加導(dǎo)致送風(fēng)動(dòng)量的增加，根據(jù)上述理論公式，相同熱源作用下作用面高度隨著送風(fēng)速度的增加而減小。當(dāng)室內(nèi)人員（100W）坐著辦公時(shí)，熱源高度約為1.1m，房間高度為3m。利用體熱源的羽流量公式，根據(jù)送風(fēng)速度與作用面高度的關(guān)系圖，為滿足室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的舒適性要求，最低的送風(fēng)速度約為0.11m/s，最大的風(fēng)速為0.35m/s。同理，當(dāng)室內(nèi)人員（100W）站著活動(dòng)時(shí)，熱源高度約為1.7m，此時(shí)，送風(fēng)速度范圍是0.11m/s—0.15m/s。

圖8 不同送風(fēng)速度下作用面高度

2.4.3 不同送風(fēng)溫度下的作用面高度

在研究密度與作用面高度關(guān)系中，采用不同的送風(fēng)溫度（16℃—26℃），共設(shè)置4個(gè)工況，70W、0.2m/s，100W、0.3m/s，150W、0.4m/s，200W、0.5m/s。其余設(shè)置保持不變。

圖9為熱羽流和送風(fēng)射流相互作用面高度與送風(fēng)溫度的關(guān)系圖。在模擬中，假設(shè)送風(fēng)溫度分別是16℃—26℃，間隔2℃。由圖可知，不同送風(fēng)溫度下，兩氣流的相互作用面高度變化不大。由于室內(nèi)環(huán)境溫度與送風(fēng)射流溫度的溫差變化很小，所以密度差變化很小。因此，在相同熱源和送風(fēng)速度下，作用面高度變化不大。

圖9 不同送風(fēng)溫度下相互作用面高度

2.5 面熱源與體熱源氣流相互作用特性分析

2.5.1 面熱源下氣流相互作用特性分析

圖10 熱源直徑與作用面高度的關(guān)系圖

圖11 熱源面積與作用面高度的關(guān)系圖

通過(guò)兩氣流作用面高度與熱源直徑的關(guān)系圖10可以直觀地看出，兩氣流的相互作用面高度與熱源直徑大小呈線性關(guān)系，作用面高度隨著熱源直徑的增加而均勻減小。圖11表明了兩氣流的相互作用面高度與熱源面積呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，作用面高度隨著熱源面積的增加而減小，當(dāng)面熱源面積趨近于0時(shí)可以近似看成點(diǎn)熱源，此時(shí)的相互作用面高度與點(diǎn)熱源的模擬高度的誤差在10%以內(nèi)。

2.5.2 體熱源下氣流相互作用特性分析

圖12表明了兩氣流的相互作用面高度與熱源高度的關(guān)系。當(dāng)熱源高度變化1.6m時(shí)，熱羽流與送風(fēng)射流的相互作用面高度最多變化0.2m，因此，可以認(rèn)為作用面高度隨著熱源高度的增加會(huì)緩慢減小。當(dāng)體熱源的熱源高度變?yōu)?時(shí)，此時(shí)體熱源就變?yōu)槊鏌嵩?，相同條件下的作用面高度與面熱源的作用面高度誤差在10%以內(nèi)。

圖12 體熱源高度與作用面高度關(guān)系圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬研究了彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)下熱羽流與送風(fēng)射流相互作用，得出的主要結(jié)論如下：

（1）采用彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)某一高度存在強(qiáng)烈的氣流混合區(qū)域，在該混合區(qū)域中，送風(fēng)射流的動(dòng)量變化與熱羽流上升的浮力相當(dāng)。

（2）通過(guò)動(dòng)量守恒定律推導(dǎo)了單獨(dú)點(diǎn)熱源作用下熱羽流與送風(fēng)射流相互作用理論高度，其計(jì)算公式為：

（3）兩氣流的相互作用高度隨熱源功率大小的增加而增加；隨送風(fēng)速度的增加而減小；且當(dāng)熱源大小與送風(fēng)速度一定時(shí)，與送風(fēng)溫度基本無(wú)關(guān)。

本文研究了在彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)下點(diǎn)熱源、面熱源與體熱源的氣流相互作用特性分析，得到了相關(guān)氣流相互作用高度的理論公式，可完善彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)原理方面的研究，有助于彌散吊頂通風(fēng)系統(tǒng)的推廣。

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Analysis of the Airflow Interaction Principle of Diffuse Ceiling Ventilation System

Shi Pandi Yu Tao Yuan Yanping

( School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Diffuse ceiling ventilation system is a new type of ventilation method using porous ceiling panels as the terminal device to supply air to the room, which can supply low-temperature air into the room without any cold draught in the occupied zone. However, there is still a lack of relevant research on the interaction principle between the heat source thermal plume and the supply air jet in this ventilation system. In this paper, a combination of theoretical analysis and numerical simulation is used to establish the interaction model of the supply air jet and the thermal plume of the diffuse ceiling ventilation system. The interaction pattern of the thermal plume and the supply air jet is studied. Results show that the thermal plume and the supply air jet strongly mix with each other at a certain height, and the buoyancy effect of the thermal plume in the mixing area is equal to the momentum of the supply air jet. The height of the interaction surface increases with the heat source power but decreases with the supply air speed. When the power of the heat source and the supply air speed are constant, the buoyancy of the thermal plume is almost constant, and the height of the interaction surface is basically independent of the supply air temperature. Research in this paper can provide theory for the design of diffuse ceiling ventilation system.

diffuse ceiling ventilation; thermal plume; supply air jet; buoyancy effect

TU831

A

1671-6612（2021）02-143-08

四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目——川西高原居住建筑太陽(yáng)能通風(fēng)內(nèi)墻的傳熱機(jī)理與應(yīng)用研究（19ZDYF0452）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目——耦合太陽(yáng)能熱源的空心通風(fēng)內(nèi)墻蓄傳熱特性研究（51708453）；百葉遮陽(yáng)“二次得熱”的預(yù)測(cè)及控制研究（2019-YF05-01326-SN）

石盼弟（1996.04-），女，在讀碩士研究生，E-mail：swjtu_spd@163.com

余 濤（1987.08-），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，E-mail：yutao073@swjtu.edu.cn

2021-01-26