浮力通量作用下非等溫射流特性研究

化亞魏 白 莉 車文昊 常文濤

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

空調(diào)送風(fēng)口是空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置，空調(diào)送風(fēng)口的射流效果是直接影響房間內(nèi)的溫度和速度分布的關(guān)鍵問題.對于非等溫射流，影響室內(nèi)空氣射流特性的主要因素除了射流質(zhì)量流量、動量流量和送風(fēng)口形狀外，浮力通量也有一定的影響.對于工程實(shí)踐而言，要考慮浮力通量對風(fēng)口射流的影響，同時也不能夸大其作用，這就需要對浮力通量既要做定性認(rèn)識，也要做定量研究.隨著計算機(jī)計算能力的提高，計算流體動力學(xué)CFD技術(shù)大量應(yīng)用于各種空間的氣流組織設(shè)計中.采用數(shù)值模擬的方法，研究非等溫射流特性，分析其與常溫射流的區(qū)別，對解決送風(fēng)空調(diào)房間氣流分布情況和室內(nèi)環(huán)境舒適性問題具有重要意義.

1 模型設(shè)計

1.1 空調(diào)房間模型建立

建立一個尺寸為:7 200mm×5 600mm×3 200mm空調(diào)房間.為了便于研究浮力通量單一變量對射流的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度設(shè)為恒定且與房間溫度一致.

1.2 空調(diào)送風(fēng)口情況

在空調(diào)領(lǐng)域使用最普遍的風(fēng)口是百葉風(fēng)口和散流器，為了便于風(fēng)口模型的建立，減少模擬的計算量，實(shí)驗(yàn)選用的送風(fēng)口為雙層百葉風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為700mm×160mm，有效面積系數(shù)為0.72，采用側(cè)送側(cè)回送風(fēng)方式.

1.3 溫度設(shè)定

空調(diào)房間的溫度均設(shè)為20℃，風(fēng)口送風(fēng)溫度分別為9℃和16℃，即代表大溫差送風(fēng)和小溫差送風(fēng)兩種工況.

2 模擬過程

2.1 方程模型選擇

對于湍流方程而言，方程模擬結(jié)果，與實(shí)際相比最為吻合，能夠達(dá)到工程所需的精度［1－2］.本文將以模型來模擬湍流射流和室內(nèi)流動，這樣可以盡量避免因湍流模型不合適帶來的誤差，便于分析浮力通量的影響.

2.2 送風(fēng)口的簡化

百葉風(fēng)口在長寬比不變的條件下，風(fēng)口模型面積為原面積與有效面積系數(shù)的乘積［3］，這樣能夠保證質(zhì)量流量與動量流量與實(shí)際一致.

2.3 網(wǎng)格劃分情況與迭代次數(shù)的選定

網(wǎng)格劃分均采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，盡量提高劃分的精度，避免網(wǎng)格劃分對模擬結(jié)果的影響.在長寬高三個維度上，最大網(wǎng)格尺寸均設(shè)為0.2m，生成網(wǎng)格數(shù)為16 057，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為169 729.迭代次數(shù)對模擬結(jié)果的有很大影響，如果迭代次數(shù)太少難以得到正確結(jié)果，迭代次數(shù)太多，又會增加計算時間.因此，本次樣本計算迭代次數(shù)選擇300次進(jìn)行計算.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 軸心偏移情況

在取不同的出口速度和溫度的條件下，繪制出軸心偏移隨射程的變化曲線，如圖1所示，曲線1～4出口速度和溫度分別為 16℃，5m/s;9℃，5m/s;16℃，2m/s;9℃，2m/s.

從圖1可以看出，在速度為5m/s時，不管是大溫差送風(fēng)還是小溫差送風(fēng)，軸心偏移并不明顯.在速度為2m/s時，軸心速度隨射程偏移很大，特別是大溫差送風(fēng)時，在距離風(fēng)口不到1m時開始明顯偏移.根據(jù)文獻(xiàn)［4］，浮力通量的計算公式為:

式中:g為重力加速度，m/s2;ρ為送風(fēng)密度，kg/m3;m為質(zhì)量流量，kg/s;v0為射流速度，m/s;ΔT為送風(fēng)溫度T和室內(nèi)溫度T0之差，K.

雖然入流動量和浮力通量都與初始速度成正比，但由于當(dāng)初始速度較小時，浮力通量作用時間較長，所以初始速度較小時，軸心速度偏移較大.

圖1 軸心偏移量隨射程的變化曲線

圖2 風(fēng)口軸心無因次速度衰減曲線

3.2 軸心速度衰減

射流軸心速度隨著射程的增加而減小，為了考察射流出口溫度對軸心速度衰減的影響，繪制出出口溫度為9℃和16℃時的無因次速度衰減圖.如圖2所示，可以看出9℃速度衰減曲線與16℃相比，衰減趨勢基本一致，由于受到浮力通量的影響，9℃時軸心速度衰減較快，這與文獻(xiàn)［5］的描述基本一致.

3.3 冷風(fēng)沉降情況

由于浮力通量的影響，空調(diào)房間在一定程度上會出現(xiàn)冷風(fēng)沉降.冷風(fēng)沉降會給人體帶來不舒適感［6］，更重要的是會直接威脅長期處在空調(diào)房間人員的健康.為便于觀察冷風(fēng)沉降情況，分別模擬出四種工況(工況1～4的出口溫度和風(fēng)速分別為16℃，5m/s;9℃，5m/s;16℃，2m/s;9℃，2m/s)的通過風(fēng)口的豎直平面溫度分布，如圖1～4所示.

圖3 工況1豎直平面內(nèi)的溫度分布

圖4 工況2豎直平面內(nèi)的溫度分布

圖5 工況3豎直平面內(nèi)的溫度分布

圖6 工況4豎直平面內(nèi)的溫度分布

從溫度分布圖上可以明顯看出，送風(fēng)速度越低，冷風(fēng)沉降越嚴(yán)重，同時送風(fēng)溫度也會影響冷風(fēng)沉降.在出口風(fēng)速為5m/s時，較大的風(fēng)速增強(qiáng)了對房間空氣的卷吸，延長了射流長度，即便是在出口溫度為9℃的大溫差條件下，也不會造成冷氣流直接向下吹向人體的情況.在出口風(fēng)速為2m/s時，特別是在大溫差送風(fēng)時，由于射流動量較小，浮力通量迫使射流向下偏斜，冷風(fēng)沉降尤為嚴(yán)重，不利于冷熱氣流的混合，給空調(diào)房間舒適性造成威脅.

4 結(jié)語

(1)浮力通量使射流軸心向下偏移，當(dāng)射流速度較小時，會使射流軸心向下有很大的偏移量;

(2)大溫差送風(fēng)與小溫差送風(fēng)的軸心速度衰減趨勢基本一致，由于浮力通量的影響，大溫差送風(fēng)速度衰減較快;

(3)風(fēng)口風(fēng)速較大時，冷風(fēng)沉降并不嚴(yán)重;當(dāng)風(fēng)口風(fēng)速較小時，特別是大溫差小風(fēng)速送風(fēng)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的冷風(fēng)沉降現(xiàn)象，這一點(diǎn)應(yīng)引起相關(guān)工程技術(shù)人員注意.

［1］Nielsen PV.The selection of turbulence models for prediction of room airflow［J］.ASH RAE Tranasactions，1998，104(1):1119 －1126.

［2］化亞魏，白 莉，車文昊，常文濤.三種湍流模型在空氣射流數(shù)值模擬上的性能比較［J］.吉林建筑大學(xué)學(xué)報，2015，32(1):51－54.

［3］趙 彬，李先庭，彥啟森.百葉風(fēng)口送風(fēng)射流的數(shù)值模擬［J］.技術(shù)交流園地，2001，31(6):86－89.

［4］Tritton DJ.Physical Fluid Dynamics［M］.Clarendon Press，Oxford，1988.

［5］李 銳，康小鵬，丁 濤，楊 暉.空調(diào)送風(fēng)口低溫射流的實(shí)驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，2004，32(4):5－7.

［6］陳曉春，朱穎心.零方程模型用于空調(diào)通風(fēng)房間氣流組織數(shù)值模擬的研究［J］.暖通空調(diào)，2006，36(8):18－24.