方形吸頂散流器平送風射程的探討?

王重超 吳虎彪

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方形吸頂散流器平送風射程的探討?

王重超1吳虎彪2

（1.航天智慧能源研究院/上海航天智慧能源技術有限公司 上海 201201； 2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 上海 200092）

分析了方形吸頂散流器送風特點和射流特性，介紹了3種散流器射程的計算方法，實驗分析了計算方法的可靠性。結果顯示，自由紊動射流近似計算法，計算公式較為簡單，計算誤差較小，在工程中具有較高的應用價值。

方形散流器；射流射程；送風特點；射程

0 引言

散流器是應用最為廣泛的空調(diào)末端風口之一，其射流特性是影響室內(nèi)氣流分布和空調(diào)系統(tǒng)效果的重要因素。雖然有部分學者對散流器的射流機理有過一些模擬和實驗研究[1]，但是相關資料中針對其送風特點和射流特性敘述不夠充分。射程是散流器最主要的參數(shù)之一，各種設計手冊和廠家樣本的數(shù)據(jù)差距較大，使得暖通工程師在設計或施工過程中常常無所適從。因此，對散流器射程的研究十分必要。

1 散流器平送風射流特性和送風特點

圖1 散流器出口角度較小時，平送風射流示意圖

當吸頂散流器的出流方向與頂棚所成的角度α較小時，射流卷吸受房間頂棚的限制，從而影響了射流邊界層的自由發(fā)展，射流半徑及速度亦不能按自由紊動射流的規(guī)律發(fā)展，而是發(fā)展到一定程度后受頂棚的限制會漸變?yōu)橘N附射流。此時，吸頂散流器的射流即不是嚴格意義上的自由紊動射流，也不是貼附射流，而是出口射流在經(jīng)過一段空氣卷吸之后逐漸形成貼附射流，其射流特性示意見圖1。

吸頂散流器一般安裝在頂棚使用，當吸頂散流器的出流角度較小時，氣流從散流器出口射出，卷吸房間內(nèi)的空氣，由于受頂棚的影響，射流一側的卷吸空氣量有限，這樣就會在靠近頂棚處形成一個低壓渦流區(qū)，從而使射流的方向發(fā)生改變，在橫截面上主射流逐漸貼近頂棚。當靠近頂棚一側沒有空氣卷吸時，則射流與頂棚碰撞，小部分氣流回到渦流區(qū)，大部分氣流貼附頂棚形成貼附射流。根據(jù)吸頂散流器射流的對稱性及其送風特點，平送風射流如圖2所示。

通過上述對吸頂散流器送風特點的分析，吸頂散流器的送風射流可以分為三個階段：自由射流段、發(fā)展段和貼附射流段。在發(fā)展段里，射流與頂棚相撞，且射流會逐漸變?yōu)橘N附射流。

圖2 吸頂散流器平送風射流示意圖

2 散流器射程計算

2.1 方法1：散流器射流速度衰減方程式法

目前工程中最常用的散流器平送風時射程的計算公式是P.J.杰克曼提出的。他指出散流器射流速度的衰減方程式為[1]：

式中，u為距散流器中心水平距離處的最大風速，m/s；0為散流器的送風速度，m/s；為送風口常數(shù)，多層錐面型散流器為1.4；平盤式散流器為1.1；為散流器的有效面積，m2；0為自散流器中心算起到射流外觀原點的距離，對于多層錐面型為0.07m。

該公式被收錄到很多參考書和設計手冊中，是設計師在設計選型中采用最多的公式。但是利用該公式得到的射程結果與很多廠家樣本數(shù)據(jù)存在較大差距。

2.2 方法2：自由紊動射流近似計算法

前人對無限空間淹沒紊流射流的研究也較成熟。吸頂散流器射流的特點與沖擊射流存在相似性。沖擊射流可分成三個不同的流動區(qū)域，即自由射流區(qū)、沖擊區(qū)、壁面射流區(qū)。在自由射流區(qū)，其流動特性與自由射流相同；在沖擊區(qū)，射流經(jīng)歷了顯著的彎曲，產(chǎn)生很大的壓力梯度，在該區(qū)末幾乎變成平行于壁面的流動，進入壁面射流區(qū)[6]。壁面射流區(qū)也可認為是貼附射流。散流器射流與沖擊射流都是氣流與壁面沖撞然后形成貼附射流。沖擊射流中沖擊高度已知，所以自由射流的長度已知，在吸頂散流器送風中，自由射流的長度為未知數(shù)，與吸頂散流器的結構和布置有關。但在沖擊點之后，兩種射流均形成了貼附射流。與沖擊射流相比，區(qū)別在于吸頂散流器是由于空氣卷吸形成的低壓作用而造成射流中流線的彎曲最終與壁面成一定的角度相撞擊，然后形成貼附射流。

圖3 自由射流

射流主體段軸心速度的衰減規(guī)律，經(jīng)典地表示為：

式中，u為由風口到射流計算斷面距離為處的軸心速度，m/s；0為風口的平均速度，m/s；為至計算斷面的距離，m。

由式（2）可見，當風口形式一定，除0為幾何尺寸外，0.48/為射流的衰減特性。設0.48，將0用風口的出風面積0表示，則：

式中，0為風口幾何尺寸，m；0為風口出風面積，m2；為風口的軸心衰減系數(shù)。

將貼附射流近似看作是無限空間自由紊動射流的一半，即自由紊動射流為兩個貼附射流在空間上的疊加，其出風口面積為0，則其風速衰減的計算式為

式中，1為特征系數(shù)[8]。

將散流器平射流的全程近似看作均是貼附射流，這樣就可以利用上述公式近似計算散流器的射程了。

2.3 方法3：沖擊射流模型理論計算法

將散流器平送風射程分為從出口到?jīng)_擊點的距離x和貼附射流距離x。

圖4 吸頂散流器平送風射流分析

根據(jù)吸頂散流器平送風與沖擊射流的相似性，可以將沖擊射流的貼附段長度計算方法應用于散流器貼附段長度計算中來。

前人對沖擊射流的研究表明，沖擊距離對沖擊點之后的軸心速度的衰減影響不大，可以忽略，且0/u與0成良好的線性關系。則有：

式中，2為貼附射流段擴散系數(shù)；20為出風口寬度；x為射流軸心速度距沖擊點的距離。

則射流貼附射流段氣流的射程為：

有學者研究表明，吸頂散流器出風口安裝在距頂棚距離為的位置，射流以出流角度射出，射流出口的初速度為u。射流由于空氣卷吸作用發(fā)生彎曲，射流軸心軌跡近似半徑為的圓弧。射流在沖擊點處與頂棚撞擊，角度為。在沖擊過程中，根據(jù)質(zhì)量和動量守恒，很小一部分空氣回到低壓渦流區(qū)，大部分氣流會在沖擊點之后形成貼附射流。其沖擊點之前的長度為[9]：

則吸頂散流器送風的射程為：

3 射程的驗證

為驗證散流器的射程，特設計了此實驗。實驗所在的房間長15m，寬10m，高6m，如圖5所示。散流器出風口角度為39°。將散流器安裝于房間吊頂?shù)恼虚g，測試了不同工況下散流器的射程，同時比較了不同工況下射程實驗值、方法2及由方法3計算獲得的計算值之間的差異。

圖5 實驗室內(nèi)景圖

圖6 靜壓箱形輔助段設計圖

圖7 散流器實驗安裝圖

圖8為方形吸頂散流器喉部尺寸為240mm×240mm時射程與風速關系曲線。如圖所示，沖擊射流模型理論計算值及自由紊動射流近似計算法的計算值所獲得的射程與風速均呈良好的線性關系，方法2和方法3計算值與實驗獲得的值能較好的相符合。由方法2自由紊動射流近似計算法計算獲得的射程值與實驗值的最大誤差為9.17%；方法3沖擊射流模型理論方法3計算值與實驗值的最大誤差為3.10%。

圖8 尺寸為240mm時，射程與風速關系曲線

圖9為喉部風速為2m/s時，各不同規(guī)格方形吸頂散流器射程的實驗值、方法3沖擊射流模型理論模型計算值及由方法2自由紊動射流近似計算法計算獲得的計算值之間的比較。由方法2自由紊動射流近似計算法計算獲得的射程值與實驗值的最大誤差為9.17%；模型理論計算值方法3與實驗值的最大誤差為2.78%。

圖9 風速為2m/s時，各風口的射程值

4 結論

（1）沖擊射流模型可以很好地描述方形散流器平送風射流特性。通過實驗測試結果發(fā)現(xiàn)，不同喉部風速和不同規(guī)格的方形散流器，方法3沖擊射流模型理論模型計算法得到的計算結果均具有較高的準確性，計算值與實驗值最大的誤差為3.10%。

（2）自由紊動射流近似計算法在工程中具有較高的應用價值。方法2自由紊動射流近似計算法得到的射程值與實驗值的最大誤差為9.17%，也具有一定的可靠性，誤差在工程允許的范圍內(nèi)；同時計算公式較為簡單，在工程中具有較高的應用價值。

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[10] JG/T 20—1999,空氣分布器性能實驗方法[S].北京:中國標準出版社,1999.

Discussion on Throw of Square Ceiling Diffuser of Flat Air Supply

Wang Zhongchao1Wu Hubiao2

(1.Aerospace Smart Energy Institute/Shanghai Aerospace Smart Energy Technology Co., Ltd., Shanghai, 201201; 2.Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Shanghai, 200092)

The air supply characteristics and jet characteristics of the square ceiling diffuser were analyzed. 3 kinds of calculation methods on diffuser throw are introduced, and the reliability of the calculation method is analyzed by the experiment. The approximate calculation result shows that the free turbulent jet has a simple calculation formula and a small calculation error, which has a high engineering application value.

Square ceiling diffuser; Jet characteristics; Air supply characteristics; Throw

1671-6612（2019）01-074-6

TU831

A

王重超（1986.05-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：wangzc@aseri.com.cn

2018-04-13