均勻流吹吸式通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究

鄭文亨， 劉加平， 王 怡

（1.桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安710055）

0 引 言

對于傳統(tǒng)的局部排風(fēng)裝置，一般都是采用吸入氣流捕捉、控制污染氣流，因此抽吸、排出的任務(wù)都是由吸入氣流來承擔(dān)，它只能在各種限制的安裝條件下才能實(shí)現(xiàn)。同時，在排風(fēng)罩口前方吸入的氣流（控制風(fēng)速）是急劇下降的，在離罩口不遠(yuǎn)處就失去了控制能力。單純地依靠吸入氣流去抽吸全部污染空氣時，必要的排風(fēng)量會隨著排風(fēng)罩口到污染源距離的增大而顯著增加，排風(fēng)罩的尺寸也要相應(yīng)增大，這是很不經(jīng)濟(jì)的，使用起來也是比較困難。在吹吸式通風(fēng)中，吹出氣流和吸入氣流相反，在吹出口前方氣流流速的衰減較慢，它的捕捉、控制能力，尤其是輸送能力是非常優(yōu)越的。把吹出氣流和吸入氣流組合在一起協(xié)同工作，就可以彌補(bǔ)上述的缺點(diǎn)，這就是吹吸式通風(fēng)，即在吸入口對面設(shè)置吹風(fēng)口構(gòu)成吹吸氣流，用它去誘導(dǎo)、控制污染氣流［1］。

關(guān)于吹吸式通風(fēng)的研究可以追溯到20世紀(jì)40年代。1945年，Malin第一個提出了吹吸式通風(fēng)可節(jié)約50%風(fēng)量（與側(cè)邊排氣罩相比）［2］。到目前為止，已有一些專家學(xué)者對吹吸式通風(fēng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究［3－11］，但現(xiàn)有的研究多集中在敞口槽吹吸式通風(fēng)上，對于均勻流吹吸式通風(fēng)技術(shù)的研究尚有欠缺，尤其是對于吹吸氣流的機(jī)理和規(guī)律性的認(rèn)識顯得非常缺乏。目前，對吹吸式通風(fēng)已有的研究仍難以回答或解決均勻流吹吸式通風(fēng)項(xiàng)目在實(shí)際工程應(yīng)用所存在的疑慮或出現(xiàn)的問題，無法滿足實(shí)際工程發(fā)展的需要。

本課題設(shè)計(jì)了均勻流吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)（接近工程實(shí)際），通過實(shí)驗(yàn)測試研究吹吸式氣流軸心速度變化規(guī)律，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對理論分析得到的表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)證。

1 吹吸式氣流軸心速度控制方程

吹吸式通風(fēng)示意圖如圖1所示。吹吸式通風(fēng)的氣流流場內(nèi)各點(diǎn)的軸向流速，是由吹出氣流和吸風(fēng)口匯流共同作用，并疊加而成的［11］，滿足如下關(guān)系式

式中um：吹吸氣流中距吹風(fēng)口x處的軸向流速，m／s；um1：當(dāng)吸氣口不吸風(fēng)時，吹出射流中距吹風(fēng)口x處的軸向流速，m／s；um3：當(dāng)吹風(fēng)口不吹風(fēng)時，吸口匯流中距吹風(fēng)口x處的軸向流速，m／s。

對于大吹風(fēng)口均勻流吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)，吹風(fēng)口為矩形，因此從吹風(fēng)口出來的射流為三維紊動射流。由于三維射流是非常復(fù)雜的，目前并未有一確定的數(shù)學(xué)模型描述其流動特性。因此，在分析大吹風(fēng)口均勻流吹吸式氣流時，為了使問題得以簡化，假設(shè)大吹風(fēng)口的特征比e≈1（e＝d1／h，d1為吹風(fēng)口寬度，h為吹風(fēng)口高度）。對于特征比e≈1的孔口，沿軸向的速度分布幾乎與軸對稱孔口（圓形孔口）情形完全相同［12］，即，當(dāng)吸氣口不吸風(fēng)時，吹出射流中距吹風(fēng)口x處的軸向流速um1滿足下式

圖1 吹吸式通風(fēng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of push－pull ventilation

式中D1——吹風(fēng)口當(dāng)量直徑，m；

uc——吹風(fēng)口出口氣流流速，m／s；

c——常數(shù)，與風(fēng)口形式有關(guān)。

當(dāng)吹風(fēng)口不吹風(fēng)時，吸口匯流中距吹風(fēng)口x處的軸向流速滿足下式［13］

式中——吸風(fēng)口處軸向流速，m／s；

F——吸風(fēng)口面積，m2；

L——吹吸風(fēng)口之間距離，m。

把式（2）、式（3）代入式（1）得

上式為吹吸氣流軸向流速變化規(guī)律（主要針對高速流場的吹吸式通風(fēng)，吹風(fēng)速度通常高達(dá)10m／s），其中，x＞l（l為紊動射流起始段長度）。

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測點(diǎn)布置

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)主要構(gòu)成有：空調(diào)機(jī)組、排風(fēng)機(jī)（排風(fēng)量為9200m3／h）、吹風(fēng)口（1m×1m）及其導(dǎo)流板、靜壓箱、吸風(fēng)口（1m×1m）、吸風(fēng)口擋板（1.5m×2m）和送、排風(fēng)管等。其中，吹風(fēng)口為均勻流吹風(fēng)口，它的靜壓箱和送風(fēng)管之間采用軟管連接，這樣在實(shí)驗(yàn)時可以改變吹風(fēng)口和吸風(fēng)口的間距，以便測試不同吹、吸風(fēng)口間距時的吹吸氣流流場。實(shí)驗(yàn)時，通過調(diào)整軟管的位置來改變吹吸風(fēng)口間距，分別測出吹吸風(fēng)口間距為3.5m和3.8m時的吹吸氣流流場。測試儀器為SwermaAir300微風(fēng)速儀和testo 405－v1風(fēng)速儀。

圖2 吹吸式通風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental facility of push－pull ventilation

2.1.2 測點(diǎn)布置

測試斷面上測點(diǎn)布置如圖3所示，從吹吸風(fēng)口的中心軸開始，在橫向方向上，每隔0.25m取一個斷面，在縱向方向，從中心軸開始沿兩個方向每隔0.1m確定一個測點(diǎn)，沿著縱向方向一直往外測，直到流場外為止。

圖3 測點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of measure point（unit：mm）

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 軸心速度實(shí)驗(yàn)

圖4是吹吸風(fēng)口間距分別為3.5m和3.8m時實(shí)測的吹吸式氣流軸心速度。從圖中可以看出，當(dāng)氣流處于射流段時，氣流流速基本保持不變，即吹吸氣流的射流段為起始段，無主體段存在；當(dāng)氣流進(jìn)入?yún)R流段后，在吸氣氣流作用下，氣流流速迅速增大。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

由于射流段為起始段，無主體段存在，因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測出的數(shù)據(jù)，分別擬合出吹吸風(fēng)口間距3.5m和3.8m時匯流段軸向流速隨x的變化曲線，如圖5所示。在擬合過程中，定義式（4）為擬合函數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線形狀，嘗試用不同的風(fēng)口相關(guān)系數(shù)c的值進(jìn)行擬合。通過比較各自的擬合結(jié)果，確定最逼近實(shí)驗(yàn)曲線的擬合曲線，將表達(dá)式作為軸向流速變化的函數(shù)式，并確定風(fēng)口相關(guān)系數(shù)c的值。

圖5中軸向流速擬合曲線表達(dá)式如表1所示。從表中可以看出，在匯流段中，吹吸氣流軸向流速按式（4）進(jìn)行擬合時，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值較大。

表1 軸向流速擬合曲線的相應(yīng)表達(dá)式Table 1 Corresponding expression of axial velocity curve fitting

3 軸心速度實(shí)驗(yàn)與理論值分析

圖6是吹吸風(fēng)口間距分別為3.5m和3.8m時利用式（4）計(jì)算得到的匯流段軸向流速值和實(shí)驗(yàn)測出的匯流段軸向流速值之間對比。在利用式（4）計(jì)算吹吸式氣流軸心速度時，取c＝0.114［14］。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)測出的值和利用式（4）計(jì)算得到的值兩者之間變化趨勢不一致，并且兩者之間的差值也比較大。這是由于式（4）是描述高速流場（吹出氣流流速10m／s左右）軸心速度變化規(guī)律；本課題的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（均勻流吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)）吹出氣流流速低（低于1m／s），遠(yuǎn)低于高速流場吹吸式通風(fēng)。因此，傳統(tǒng)的高速流場吹吸式通風(fēng)軸心速度經(jīng)驗(yàn)公式不適用于均勻流吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測出的均勻流吹風(fēng)口系數(shù)約為0.3，與文獻(xiàn)［14］給出的值差別較大，這是由于均勻流吹風(fēng)口能夠使出風(fēng)氣流均勻分布，而文獻(xiàn)［14］為普通的吹風(fēng)口（出風(fēng)氣流并非是均勻分布）。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述討論，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)的高速流場吹吸式通風(fēng)氣流軸心速度的經(jīng)驗(yàn)公式并不適用于均勻流吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)；均勻流吹吸式通風(fēng)氣流軸心速度有其自身規(guī)律特性。

（2）對于均勻流吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)，吹風(fēng)口的風(fēng)口系數(shù)c的值約為0.3，與文獻(xiàn)［14］給定的風(fēng)口系數(shù)c值（0.114）差異較大。

（3）當(dāng)吹吸風(fēng)口間距分小于3.8m時，從吹風(fēng)口出來的吹風(fēng)射流在射流起始段還未結(jié)束就進(jìn)入了匯流段，即吹吸氣流中無射流主體段存在。

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