不同射流間距下非定常條縫雙射流的數值模擬研究＊

張燦通，鞠鵬飛，2，王寶康，戴源鑌，李廣傲

（1.天津理工大學、機電工程國家級實驗教學示范中心（天津理工大學），天津 300384；2.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384）

多風口空氣調節設備在廠房、會議室及地下工程等大空間建筑中被廣泛應用[1]。大空間建筑比普通居民樓房間更大，對于空調出風的流速、室內溫濕度和冷氣覆蓋程度有著更高的設計難度，如何利用多風口特性對被調節空間進行符合人體舒適性要求的設計成為大空間建筑空氣調節的研究熱點之一。空調出風口吹出的冷氣屬于非等溫湍流射流，在研究空調射流對室內流場的影響時，鮮沐希[2]通過實驗驗證了利用分形理論研究空氣流場特性的可行性，并得到空調送風射流的湍流強度隨著分形維數的增大而增大，冷氣團卷吸周圍介質的能力也在增強。宋高舉[3]通過可視化實驗對12 種空調典型送風口的射流流型進行了研究，得出對于非等溫射流，其紊流系數隨射流出口阿基米德數的絕對值的增大而減小。以上均對單射流的空調出風進行了研究，而多射流在室內空氣調節中的研究尚少，但在射流強化傳熱領域和流化床領域是一個研究熱點。在雙射流相互影響特性的研究中，洪若瑜等[4]通過數值模擬對二維氣固流化床進行了雙射流研究，發現雙射流的相互作用可分為3 種，即孤立射流、過渡射流和互作用射流，并提出了相應的射流間距判據。耿麗萍等[5-6]通過PⅠV 流場測試系統進行了周期性變化及多噴嘴的湍流射流沖擊平板實驗，周期性湍流采用的是質量流量控制的正弦和矩形變化的射流，研究發現了2 種周期性射流沖擊傳熱性能有很大差異，矩形沖擊射流的傳熱性能優于正弦沖擊射流。從文獻[4-6]可知，對多射流設置不同射流間距和使射流以非定常出風都可改變流場特性并強化傳熱，提高射流與周圍流體的摻混效果。因此，本文以等頻率等物理時間的非定常雙射流為例，研究不同射流間距下非定常雙射流對室內流場的影響。

1 物理模型

本文的物理模型為不考慮上下空間帶來流量補充的近壁面空調射流，并簡化為忽略重力場作用的二維空氣射流平面。雙射流出口的長度根據大空間建筑空調室內機出風口的長度而得，典型空調室內機的出風口長寬比在10 左右，因此可以認為空調出風的射流為條縫射流[3]，在模型內將出風口簡化為長度為0.4 m 的直線。根據射流分段可知，射流流向長度為25～100倍的風口直徑時（對于條縫形風口指風口的長度），射流能達到充分發展的紊流段[3]，為使空調射流在流場中充分發展，將流場長度設置為射流出口寬度的25 倍，流場寬度設置為射流出口寬度的20 倍，因此模型的尺寸為10 m（長）×8 m（寬）。流場物理模型如圖1 所示。雙射流速度場入口為一個同相位周期性振蕩的正弦波，射流流速v隨時間t的變化如圖1（b）所示。

圖1 流場物理模型

為使非定常雙射流能夠在流場內充分發展，計算的物理時間取t=50 s，出風頻率為0.1 Hz。根據文獻[4]可知，當出風口特征長度為D時，雙射流的相互作用可分為3 類：①當射流間距較大時（大于10D），射流不相互作用，稱為孤立射流；②當射流間距中等時（3.5D～10.0D），射流表現出較弱的相互作用，稱為過渡射流；③當射流間距很小時（0～3.5D），2 個射流很容易在噴嘴上方合并，形成一個更大的射流，稱互作用射流。為了使雙射流間距對雙射流流動的影響更加明顯，因此本文中將射流間距L設置為L1=1D、L2=2D、L3=5D、L4=10D。

2 數值方法

本文采用ANSYS Fluent 軟件進行數值模擬，所采用的控制方程為雷諾平均納維- 斯托克斯（Raynold-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程組，為非定常計算。所有模擬初場均為速度0 m/s、壓力101 325 Pa、溫度30 ℃的均勻初場。本次數值模擬采用的湍流模型為k-epsilon RNG 模型。

在出風口位置采用速度進口邊界條件，進氣溫度為20 ℃。出風口位置采用壓力出口邊界條件，壓力為101 325 Pa。其他位置均為無滑移壁面邊界條件，所有壁面均為絕熱。

計算網格采用結構化網格，由ANSYS Workbench中的Meshing 生成，并對送風口的射流流道進行了加密。網格分布如圖2 所示。

圖2 模型的網格剖面

3 模擬結果分析

3.1 溫度場分析

流場的平均溫度測量采用基于質量平均的測量方式，流場平均溫度隨時間的關系如圖3 所示。從圖中可以發現，不同射流間距的流場降溫規律是相似的，呈波動型下降趨勢，這是由于射流出風為周期性變化所致。

圖3 溫度場分析

測量點分布如圖4 所示，測量得到在物理時間為50 s 時流場內的各點溫度，結合該時刻流場的平均溫度，進行溫度標準差計算[7]：

圖4 測量點分布

式（1）中：n為測量點個數；Ti為測量點溫度，℃；為流場的平均溫度，℃。

標準差可以反映樣本數據的偏離程度[7]，可以發現，當射流間距為1D時，溫度標準差較大，流場內的溫度分布相對不均勻；當射流間距大于2D時，不同射流間距的流場溫度標準差均較小，溫度分布相對更加均勻。4 種射流間距在物理時間為50 s 時的溫度場云圖如圖5 所示。當射流間距為1D時，流場內形成明顯的低溫射流，冷氣在流向方向分布較為集中；對于射流間距大于1D的流場內并無形成明顯射流，雙射流在相互作用下使得冷氣與周圍流體摻混的作用增強，冷氣在流場內的分布變得更加均勻。

圖5 溫度場云圖（t=50 s）

3.2 速度場分析

流場的速度分布對于室內污染物擴散有著重要的參考作用。流場內的速度場矢量圖如圖6 所示。當射流間距為1D時，流場在射流流向方向的速度比射流兩側的速度較大；當射流間距為2D和5D時，射流在出風口兩側形成對稱的渦流，渦流不斷卷吸周圍流體并逐漸向兩側壁面靠近，使得空調射流與兩側流體摻混強烈，速度分布相比射流間距為1D時更加均勻；當射流間距為10D時，流場的速度分布出現不對稱性，渦流的大小不等且位置不再有對稱性。

圖6 速度場矢量圖（t=50 s）

4 結論

在非定常送風條件下，射流間距對室內流場會產生明顯影響，不同射流間距對流場的影響不同。對于平面射流，當射流間距為1D時，雙射流會形成更大的射流，使得平面流場內溫度和速度的分布在流向方向集中。當射流間距大于1D且小于10D時，雙射流的相互作用隨著射流間距增大而增大，流場的溫度和速度分布比射流間距為1D時的更加均勻，冷氣與周圍流體的摻混作用更強烈。在多出風口空氣調節中，適當改變出風口間距可以改善室內的溫度和速度分布，避免冷氣集中。