摘　要：針對(duì)設(shè)置側(cè)墻上置送風(fēng)口置換通風(fēng)系統(tǒng)的房間，采用CFD軟件對(duì)室內(nèi)空氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，分析貼附射流、沖擊射流的發(fā)展過(guò)程，評(píng)價(jià)側(cè)墻上置送風(fēng)口置換通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果。

關(guān)鍵詞：置換通風(fēng)  側(cè)墻上置送風(fēng)口  貼附射流  沖擊射流  通風(fēng)效果

Assessment of Displacement Ventilation Flow Field with High Sidewall Outlet and Ventilation Effect

Abstract：For a room using displacement ventilation system with high sidewall outlet，the indoor air velocity field and temperature field are simulated by CFD software．The development process of the attaehed jet and impact jet is analyzed according to the simulation results．The ventilation effect of displaeement ventilation system with high sidewall outlet is assessed．

Keywords：displacement ventilation；high sidewall outlet；attached jet；impact jet；ventilation effect

置換通風(fēng)是以房間內(nèi)熱源(人員、設(shè)備等)產(chǎn)生的熱浮升力為動(dòng)力使室內(nèi)空氣熱力分層的通風(fēng)方式^[1-2]。傳統(tǒng)置換通風(fēng)系統(tǒng)往往采取下置送風(fēng)口的布置形式，這種布置形式占用了室內(nèi)下部的有效空間，在某些場(chǎng)所送風(fēng)口難以布置。為了解決傳統(tǒng)置換通風(fēng)系統(tǒng)的不足，學(xué)者們提出將送風(fēng)口上置，形成側(cè)墻上置送風(fēng)口的置換通風(fēng)系統(tǒng)^[3-5]。本文對(duì)側(cè)墻上置送風(fēng)口置換通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并評(píng)價(jià)通風(fēng)效果。

1　模擬方案

①房間的物理模型

房間的物理模型見(jiàn)圖1，房間的長(zhǎng)×寬×高為3.40m×2.90m×2.95m。房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為絕熱，送風(fēng)裝置安裝于側(cè)墻上部，送風(fēng)口高度為2.2m?；仫L(fēng)口位置見(jiàn)圖l，尺寸為0.4m×0.4m。模型房間內(nèi)有2盞熒光燈，電功率均為36W。人體、計(jì)算機(jī)等熱源靠近回風(fēng)口一側(cè)的墻邊，人體和計(jì)算機(jī)的發(fā)熱量分別為l00W／人、300W／臺(tái)。將房間內(nèi)的人體、計(jì)算機(jī)、桌子等分別簡(jiǎn)化成規(guī)格不同的立方體，簡(jiǎn)化后房間內(nèi)物體具體數(shù)量及尺寸見(jiàn)表1。

②模擬方案

針對(duì)供冷工況，采用CFD軟件模擬室內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，根據(jù)模擬結(jié)果分析貼附射流、沖擊射流的發(fā)展過(guò)程，并評(píng)價(jià)側(cè)墻上置送風(fēng)口置換通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效果。房間供冷負(fù)荷指標(biāo)為48W／m²。室內(nèi)的送風(fēng)射流由氣體貼附墻壁的貼附射流與沿地板擴(kuò)散的沖擊射流組成^[6-7]，選取送風(fēng)溫度295K、送風(fēng)速度0.3m／s作為典型工況。

③測(cè)點(diǎn)布置及代表測(cè)點(diǎn)選取

均勻分割xy平面，布置測(cè)點(diǎn)，獲取各測(cè)點(diǎn)不同三坐標(biāo)上的模擬數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)布置方式見(jiàn)圖2。其中測(cè)點(diǎn)5～7為貼附射流空間的測(cè)點(diǎn)，我們選取測(cè)點(diǎn)6作為射流空間的代表測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)2～4為人體活動(dòng)區(qū)的測(cè)點(diǎn)，我們選取測(cè)點(diǎn)3作為人體工作區(qū)的代表測(cè)點(diǎn)；選取測(cè)點(diǎn)l為熱源附近測(cè)點(diǎn)，但由于測(cè)點(diǎn)1被人體占據(jù)，因此我們選取測(cè)點(diǎn)1¢作為熱源附近測(cè)點(diǎn)，x、y軸坐標(biāo)為(1.20m，1.45m)。

2　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1　設(shè)定

設(shè)定房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁之間無(wú)輻射換熱。房間內(nèi)氣流為不可壓縮的牛頓流體。根據(jù)Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為流體密度變化僅對(duì)浮升力有影響，流體中的黏性耗散忽略不計(jì)。

2.2　模擬結(jié)果與分析

①貼附射流、沖擊射流發(fā)展過(guò)程

yz平面(x=3.3m)速度云圖見(jiàn)圖3，yz平面(x=3.3m)對(duì)稱(chēng)軸(z軸方向)的流速見(jiàn)圖4。由圖3、4可知，貼附射流的流速沿射程方向呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。這種變化是貼附射流在發(fā)展的過(guò)程中，受豎向慣性力和豎向浮升力共同作用的結(jié)果。由于送風(fēng)溫度較低，在出口階段氣流密度較大，氣流豎向慣性力作用比豎向浮升力作用明顯，因此對(duì)氣流起著加速作用。隨著貼附射流的發(fā)展，氣流溫度升高，豎向浮升力作用加強(qiáng)以及氣流接近地面時(shí)受阻，流速逐漸下降。

由圖4可知，貼附射流最大流速出現(xiàn)在高度l.0m左右。這提示我們不能將送風(fēng)口的安裝高度無(wú)限制提高，應(yīng)使得最大流速盡量落在熱力分層界面(熱力分層界面將室內(nèi)空氣沿豎向分為上部湍流混合區(qū)，下部層流清潔區(qū))以下，以盡量減小送風(fēng)與熱力分層界面上部污濁空氣摻混。

當(dāng)貼附射流接近地面時(shí)，逐漸形成沖擊地板面的沖擊射流^[7]。xy平面(z=0.1m)速度云圖見(jiàn)圖5，xy平面(z=0.1m)對(duì)稱(chēng)軸(x軸方向)的流速見(jiàn)圖6。

由圖5、6可知，貼附射流在轉(zhuǎn)化為沖擊射流的一段區(qū)域內(nèi)，流速先明顯增大，然后逐漸減小。這主要是由于貼附射流在近地面轉(zhuǎn)化為沖擊射流時(shí)，氣流在沖擊地面時(shí)在地面上擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，使得流速在這段區(qū)域內(nèi)明顯增大，但隨著沖擊射流在地面上迅速蔓延擴(kuò)散，動(dòng)量逐漸減小，流速降低。雖然沖擊射流的流速沿流程逐漸減小，但是還能夠有效地到達(dá)人員活動(dòng)區(qū)域。在x=1.3m處，流速小于0.15m／s，人體不會(huì)感到有吹風(fēng)感，滿(mǎn)足了人體舒適要求。

②通風(fēng)效果

對(duì)通風(fēng)效果的影響，從本質(zhì)上可認(rèn)為是對(duì)室內(nèi)空氣豎向熱力分層的影響，下部層流清潔區(qū)豎向溫度梯度越小，上部湍流混合區(qū)豎向溫度梯度越大，通風(fēng)效果越好^[8]。

測(cè)點(diǎn)6、3、1¢的豎向溫度分布分別見(jiàn)圖7～9。由圖7～9可知，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度沿高度方向(三軸方向)逐漸增大。對(duì)于測(cè)點(diǎn)6、3，在0.1～1.2m高度范圍內(nèi)溫度緩慢升高，當(dāng)高于1.2m后溫升速度較快。對(duì)于測(cè)點(diǎn)l¢，在0.1～2.0m高度范圍內(nèi)溫度緩慢升高，在0.2～1.5m高度范圍內(nèi)溫度出現(xiàn)波動(dòng)，這一高度區(qū)域恰好與坐姿下的人體腳踝到高于頭頂30cm一段吻合。當(dāng)高于2.0m后，溫升速度較快。

由圖7可知，貼附射流區(qū)域也存在熱力分層。這是由于送風(fēng)口適當(dāng)?shù)陌惭b高度使得送風(fēng)氣流最大流速出現(xiàn)在熱力分層以下，在豎向慣性力的作用下使送風(fēng)氣流能較快地到達(dá)地面，減小了貼附射流在上部空間對(duì)周?chē)諝獾木砦?，沖擊射流在地面上的迅速衰減減少了吹風(fēng)感。因此，側(cè)墻上置送風(fēng)口置換通風(fēng)方式與傳統(tǒng)置換通風(fēng)方式具有一樣明顯的熱力分層特征。

由圖8、9可知，越接近熱源位置，熱力分層越明顯，這說(shuō)明沖擊射流對(duì)室內(nèi)溫度分層的影響進(jìn)一步減弱。測(cè)點(diǎn)1¢的0.2～1.5m高度范圍出現(xiàn)溫度波動(dòng)，是由于人體附近的空氣受人體加熱，溫度升高。

3　結(jié)論

對(duì)于側(cè)墻上置送風(fēng)口的置換通風(fēng)系統(tǒng)，由貼附射流與沖擊射流形成的組合射流在室內(nèi)能形成很好的熱力分層，符合置換通風(fēng)要求，通風(fēng)效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王洪成，李汛．地板輻射與置換通風(fēng)組合空調(diào)系統(tǒng)的模擬[J]．煤氣與熱力，2006，26(11)：60-63．

[2]常茹，于齊東．置換通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)控制及應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2012，32(2)：A30-A32．

[3]魏京勝．上置置換通風(fēng)風(fēng)15特性及氣流組織實(shí)驗(yàn)研究(碩士學(xué)位論文)[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2005：56-73．

[4]趙建博，王智偉，黃曉瑞．風(fēng)口上置置換通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．建筑節(jié)能，2007，35(7)：15-17．

[5]黃曉瑞，王智偉，郭聰．側(cè)墻上置風(fēng)口置換通風(fēng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(2)：170-174．

[6]張旺達(dá)．豎壁貼附射流及其空氣池現(xiàn)象的預(yù)測(cè)與可視化驗(yàn)證(碩士學(xué)位論文)[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2006：41-65．

[7]ADBEL-FATFAH A．Numerical and experimental study of turbulent impinging twin-jet flow[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，2007(31)：1061-1072．

[8]王曉彤，陳俊俊，李義科，等．熱源特性對(duì)置換通風(fēng)熱力分層高度影響的分析[J]．建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，24(3)：69-72．

本文作者：林楊  王麗文  呂建

作者單位：天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

  天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院