對撞射流通風(fēng)方式氣流形態(tài)模擬

鄭婷婷， 陳紅兵， 王聰聰， 王文謙， 李 璊， 梁寧康

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100000；2.城市建設(shè)技術(shù)集團(tuán)(浙江)有限公司，浙江杭州310000)

1 概述

對撞(也稱為碰撞)射流通風(fēng)具有很強(qiáng)的混合作用，因此在地鐵、飛機(jī)等領(lǐng)域顯示出了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。國外很多學(xué)者很早對這種通風(fēng)方式開展了研究[1-2]，然而關(guān)于對撞射流的大部分研究均以時(shí)均流場為主。與時(shí)均流場不同，瞬時(shí)流場反映了氣流形態(tài)的不穩(wěn)定性。

關(guān)于對撞射流氣流形態(tài)不穩(wěn)定性的機(jī)理，在人居環(huán)境中研究得比較少。Li等人[3]對湍流射流噴頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)駐點(diǎn)偏移是對撞射流的主要狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)速度對駐點(diǎn)偏移有影響。Zhao等人[4]使用數(shù)值模擬方法研究3端口狹縫通風(fēng)室內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)，結(jié)果證明：送風(fēng)速度、送風(fēng)高度以及雷諾數(shù)對氣流具有抑制或促進(jìn)作用。Zhao等人[5]分析了二維空腔混合對流的特性，發(fā)現(xiàn)了送風(fēng)角對混合對流的振蕩具有影響。Besbes等人[6]采用了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和二階模型對平面對撞射流進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了對撞射流受送風(fēng)角的影響。Kandzia等人[7]的研究證明了人體熱羽流對氣流的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定影響。

綜上，對撞射流研究多采用實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬方法。由于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的模擬準(zhǔn)確性比較理想，且時(shí)間成本、人工成本均比較低，因此采用CFD對室內(nèi)氣流組織的研究不在少數(shù)[8]。對于CFD的模擬準(zhǔn)確性，Hooff等人[9]進(jìn)行了雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)方法與大渦模擬(LES)方法比較，發(fā)現(xiàn)LES方法的準(zhǔn)確性更高。21世紀(jì)以來，模擬飛機(jī)艙和封閉環(huán)境通常采用LES方法進(jìn)行研究[10]。因此，LES方法更適合分析對撞射流氣流形態(tài)。

Blay等人[11]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究對象為湍流對流氣流在帶有加熱地面的方腔內(nèi)噴射對撞。在Blay等人的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文采用大渦模擬(LES)方法模擬研究封閉方腔內(nèi)對撞射流氣流形態(tài)，在出口高度、送風(fēng)溫度、方腔內(nèi)空氣初始溫度一定的前提下，分析送風(fēng)速度、送風(fēng)角度、地面溫度對對撞射流氣流形態(tài)的影響。

2 模擬方法

2.1 幾何模型

Blay等人設(shè)置了1個(gè)長×高×寬為1.04 m×1.04 m×0.30 m的方腔，方腔左上側(cè)開了高度為18 mm的狹縫作為空氣進(jìn)口，在右下側(cè)開了高度為24 mm的狹縫作為空氣出口。Blay等人研究的方腔見圖1。分析面位于1/2寬度上，空氣進(jìn)口溫度為15 ℃，方腔壁面溫度設(shè)置為15 ℃，地面溫度設(shè)置為35.5 ℃。

圖1 Blay等人研究的方腔

2.2 求解方法

流體為空氣，湍流模型選用LES。在基于有限體積法的空間離散格式上，為克服擴(kuò)散，選擇二階迎風(fēng)格式。瞬態(tài)公式選擇有界二階隱式。在網(wǎng)格精度合理的狀況下，選用Couple算法。不考慮壁面間輻射傳熱、導(dǎo)熱。時(shí)間步長設(shè)置為0.05 s。采用Ansys Fluent 19.0軟件求解。

2.3 網(wǎng)格劃分

計(jì)算域?yàn)檎麄€(gè)方腔，由于LES方法需要采用比較細(xì)的網(wǎng)格，因此本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。分別劃分3種數(shù)量的網(wǎng)格(見圖2)，網(wǎng)格數(shù)分別為23 012、92 771、364 023個(gè)。

圖2 3種網(wǎng)格數(shù)量的方腔

送風(fēng)溫度為15 ℃，送風(fēng)速度為0.57 m/s，送風(fēng)角為0°。模擬分析面水平中心線(y=0.52 m)、豎直中心線(x=0.52 m)上的空氣溫度、流速，將模擬結(jié)果與Blay等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為92 771個(gè)時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度比較好。因此，方腔模型的網(wǎng)格數(shù)采用92 771個(gè)。在接下來的算例中，方腔的網(wǎng)格數(shù)也采用92 771個(gè)。

3 案例設(shè)置

將Blay等人研究的方腔由單進(jìn)、單出改為雙進(jìn)、雙出(見圖3)。送風(fēng)角為正、負(fù)時(shí)的空氣入射方向見圖3，空氣入射方向與x軸平行時(shí)送風(fēng)角為0°。出口高度為24 mm，送風(fēng)溫度為15 ℃，方腔內(nèi)空氣初始溫度為15 ℃。按影響因素分為3類研究內(nèi)容，對分析面的氣流形態(tài)進(jìn)行模擬。

① 送風(fēng)速度。送風(fēng)角為0°，地面與壁面溫度均為15 ℃。在送風(fēng)量一定的情況下，進(jìn)口高度分別設(shè)定為18.0、12.0、8.0、5.3 mm，對應(yīng)的送風(fēng)速度分別為0.570、0.855、1.283、1.936 m/s。

② 送風(fēng)角。進(jìn)口高度為18.0 mm，送風(fēng)速度為0.57 m/s，地面與壁面溫度均為15 ℃。送風(fēng)角分別為20°、10°、0°、-10°、-20°。

③ 地面溫度。進(jìn)口高度為18.0 mm，送風(fēng)速度為0.57 m/s，送風(fēng)角為0°，壁面溫度為15 ℃。地面溫度分別為15、25、35 ℃。

圖3 算例研究的方腔

4 模擬結(jié)果與分析

為便于分析，對流場內(nèi)空氣流速進(jìn)行歸一化處理：

式中U——?dú)w一化流速

u——流場內(nèi)空氣流速，m/s

uin——送風(fēng)速度，m/s

4.1 送風(fēng)速度

不同時(shí)間送風(fēng)速度為0.570、0.855、1.283、1.936 m/s的流場見圖4。由圖4并結(jié)合4種送風(fēng)速度的方腔流場視頻可知，送風(fēng)角為0°、地面與壁面溫度一致、送風(fēng)量一定時(shí)，與小進(jìn)風(fēng)口、大送風(fēng)速度相比，大進(jìn)風(fēng)口、小送風(fēng)速度下，射流對撞后的氣流影響范圍(高度方向上)更大，且影響范圍內(nèi)的風(fēng)速更低。因此，大進(jìn)風(fēng)口、小送風(fēng)速度條件更適合室內(nèi)送風(fēng)。

圖4 不同時(shí)間送風(fēng)速度為0.570、0.855、1.283、1.936 m/s的流場

4.2 送風(fēng)角

不同時(shí)間送風(fēng)角為20°、10°、0°、-10°、-20°的流場見圖5。由圖5并結(jié)合5種送風(fēng)角的方腔流場視頻可知，送風(fēng)量一定、地面與壁面溫度一致條件下，送風(fēng)角為20°、10°時(shí)，隨著時(shí)間延續(xù)，氣流形態(tài)出現(xiàn)明顯混亂。對于送風(fēng)角-20°、-10°、0°，送風(fēng)角為0°時(shí)，氣流影響范圍大，射流碰撞后的匯流流速最高。送風(fēng)角為-10°時(shí)，氣流影響范圍和匯流流速次之。送風(fēng)角為-20°時(shí)，氣流影響范圍、匯流流速最小。

圖5 不同時(shí)間送風(fēng)角為20°、10°、0°、-10°、-20°的流場

4.3 地面溫度

不同時(shí)間地面溫度為15、25、35 ℃的流場見圖6。由圖6并結(jié)合3種地面溫度的方腔流場視頻可知，送風(fēng)量一定、送風(fēng)角為0°、壁面溫度為15 ℃時(shí)，隨著地面溫度升高，射流碰撞后匯流作為方腔內(nèi)氣流組織的主導(dǎo)地位被打破。地面溫度越高，方腔內(nèi)氣流形態(tài)越混亂，變化越快。

圖6 3種地面溫度下方腔的瞬時(shí)流場

5 結(jié)論

① 送風(fēng)速度的影響：送風(fēng)角為0°、地面與壁面溫度一致、送風(fēng)量一定時(shí)，與小進(jìn)風(fēng)口、大送風(fēng)速度相比，大進(jìn)風(fēng)口、小送風(fēng)速度下，射流對撞后的氣流影響范圍(高度方向上)更大，且影響范圍內(nèi)的風(fēng)速更低。大進(jìn)風(fēng)口、小送風(fēng)速度條件更適合室內(nèi)送風(fēng)。

② 送風(fēng)角度的影響：送風(fēng)量一定、地面與壁面溫度一致條件下，送風(fēng)角為20°、10°時(shí)，隨著時(shí)間延續(xù)，氣流形態(tài)出現(xiàn)明顯混亂。對于送風(fēng)角-20°、-10°、0°，送風(fēng)角為0°時(shí)，氣流影響范圍最大，射流碰撞后的匯流流速最高。送風(fēng)角為-10°時(shí)，氣流影響范圍和匯流流速次之。送風(fēng)角為-20°時(shí)，氣流影響范圍、匯流流速最小。

③ 地面溫度的影響：送風(fēng)量一定、送風(fēng)角為0°、壁面溫度為15 ℃時(shí)，隨著地面溫度升高，射流碰撞后匯流作為方腔內(nèi)氣流組織的主導(dǎo)地位被打破。地面溫度越高，方腔內(nèi)氣流形態(tài)越混亂，變化越快。