碰撞射流末端送风形式对室内气流的影响

王爽 亢燕铭

东华大学环境科学与工程学院

碰撞射流末端送风形式对室内气流的影响

王爽 亢燕铭

东华大学环境科学与工程学院

通过CFD模拟研究了碰撞射流系统末端不同送风形式，对各送风形式下室内的速度场和温度场的分析结果表明：典型工况条件下，在送风末端管壁处设置小开口以及百叶会使近地面扩散气流速度明显降低，可以降低冬季工况室内人员产生冷风感的风险。所有送风口形式均有下部空间温度高于上部特征，可实现较高的送风能量利用效率。

碰撞射流送风末端冷风感风口形式

0引言

室内环境与人们的生活密切相关，据统计，成年人80%～90%时间是在室内度过的，如果室内通风不当就很容易让人得“建筑病态综合症”（简称SBS）[1]。目前高大空间主要的热风供暖方式为混合通风，但混合通风不仅供暖能效比较低[2～3]，而且夏季供冷时的节能性低于置换通风。置换通风利用气流热浮力原理将冷风以低速送入工作区，回风自房间顶部排出，从而提高工作区空气质量和能源利用效率[2～3]，但置换通风无法应用于冬季供热工况[4]。

碰撞射流通风（Impinging Jet Ventilation，IJV）[5]作为一种新型的通风方式结合了混合通风和置换通风的优点。它主要是通过设置在房间内的喷口将高动量空气在距地面一定高度处向下送到地面，气流碰到地面后沿地面向四周扩散，从而形成一个近地面空气扩散流场。该通风方式克服了置换通风无法冬季供热的缺点[4]。

由于碰撞射流通风送风速度较高，送风口附近气流容易使室内人员产生较强的吹风感。为解决该问题，本文将使用数值模拟的方法探讨通过在送风末端加设开口百叶来降低送风口附近气流速度的有效性。

1物理模型与数值模拟方法

本文研究大跨度空间不同送风末端对碰撞射流通风效果的影响。房间尺寸为：长×宽×高=16m×16m× 6m。模型高度方向定为Z方向，水平方向分别定为X和Y方向。立柱截面为正方形，尺寸为0.6m×0.6m。模拟过程中，仅在房间中心立柱四周敷设碰撞射流送风管道。管道紧贴立柱四壁安装。送风口厚度为0.05m，送风口高度h=0.5m。分别在顶棚四个角落各设置1个尺寸为0.4m×0.4m的回风口。因为房间以中央立柱为中心呈对称分布，故选取房间1/4部分进行模拟代替全尺寸模拟，模型两面设置为对称面，另两面设置为墙面。其模拟效果与全尺寸模拟一致。对于工况2、3和4，在其风口附近管壁上设置三个矩形开口，尺寸为35cm×10cm，并对工况3和工况4的开口外加装百叶，使百叶开度分别为30°和60°，模型如图1所示。

图1物理模型及典型平面分布图

本文将所研究流体视为三维不可压缩的连续流体，流体性质不发生变化。数值计算过程中采用二阶迎风格式对控制方程进行离散化，选用标准k-ε湍流模型，并且采用SIMPLE算法求解离散方程。由于本文所研究的流场位于空调房间内，供热时会受到由温度差异而引起的浮升力的影响，因而采用Boussinesq假设。模拟中采用的气流参数为，送风速度2m/s，送风温差ΔT=10℃，通过数值模拟方法对径向碰撞射流通风方式进行模拟。

2模拟结果与分析

2.1碰撞射流通风房间气流分布特征

为研究碰撞射流通风系统室内气流组织分布，选取房间中心纵剖面，对其速度矢量图进行分析。

图2房间中心纵剖面上的速度分布图，由图可得，气流自送风口向下喷射至地面后，贴附地面水平扩散，在周围空气的卷吸作用下速度不断降低，并最终使水平冲量消耗殆尽，扩散气流在热浮力作用下向上运动。工况1气流沿地面扩散距离较长，近地面（Z= 0.1m附近）气流主要为速度较高的水平扩散气流。气流在扩散末端开始上升。工况3气流扩散距离较短，上升气流与管壁开口处的漏风相混合使气流热浮力作用增强。房间右侧在上升热气流和屋顶的下降冷气流的作用下形成顺时针方向漩涡状流动，近地面气流以右侧壁面回流为主，气流速度较低。

图2房间中心纵剖面上的速度分布图

通过选取房间内中心纵剖面分别与Z=0.1m和Z=1.2m平面相交的水平线段L1、L2；房间Y=0m平面上距离送风口1m和3m处取两条垂直线段L3、L4以研究室内气流速度随房间水平以及垂直方向的变化。各线段位置如图1（a）所示。

图3是Z=0.1m和Z=1.2m高度处速度水平分布曲线，由图3（a）得，当管壁无开口时，工况1气流扩散距离为6m，但其送风口附近气流速度很高，距离送风口1m处风速高达1.6m/s，这会使人员产生强烈的吹风冷感。工况3扩散区内部气流速度较小，虽不会使人产生强烈吹风感，但其气流水平运动距离仅为2m，难以满足大空间内部气流组织需求。工况2、4风速沿X方向分布较为相似，气流扩散距离为3.5～4m，其扩散区内部气流最高速度为0.77m/s。与工况1相比。工况2和工况4气流水平运动距离缩短了约30%，但扩散区内部气流最大速度仅为工况1的50%，表明该工况在保证一定扩散距离的同时使扩散区内部气流速度大幅下降，不会使人员产生吹风感。由图3（b）可得，在距离地面1.2m高度处，受到上升热气流的作用各工况速度曲线均会产生一次速度突增现象，突变位置随气流扩散距离不同而各不相同。各工况突变值最大为0.5m/s。由于突变幅度较小，故不会使人产生较强的吹风感。

图3 Z=0.1m和Z=1.2m高度处速度水平分布曲线

图4距离风口1m和3m处速度垂直分布曲线

图4为不同工况距离风口1m和3m处速度垂直分布曲线，由图4（a）可得，距离送风口1m处，各工况近地面气流速度较高，工况1速度最大，为0.88m/s。随高度增加，各工况风速迅速衰减，至0.5m高度处降至最低值0.1m/s。工况2、3和4由于受到风管侧壁开口漏风影响，使气流热浮力作用加强，其速度大小随高度升高而缓慢增加，至4m高度后缓慢减小。工况1无该影响效果，其速度沿高度方向平稳分布。观察图4（b）可得，距离送风口3m处。工况2、3和4气流近地面速度较低沿高度方向速度稳定分布，其中工况1在2m以下高度处风速仅为0.1m/s，速度过低不利于室内气体流通。工况1近地面速度与图4（a）一致，且沿高度方向气流变化幅度较大，综合分析图4可得，在送风管道侧壁设置开口百叶时，会明显降低风口附近风速，减小该处人员吹风感，且会增强开口附近气流流动效果，使温度分布较为均匀。

2.2碰撞射流通风房间温度分布特征

为研究碰撞射流通风系统室内温度分布，同样选取房间中心纵剖面，对其温度分布图进行分析。

图5为房间中心纵剖面上平面上温度分布图，由图可以看到，工况1气流扩散距离较长，在扩散区内部气流贴附地面运动，温度垂直分层现象较弱，而在扩散区末端温度分层现象较强，由于气流扩散距离较远，使整个平面温度分布较均匀，平均温度较高。工况3受管壁开口漏风影响，气流沿地面扩散距离较近。扩散区内部温度分层现象较不明显。由于气流未充分扩散，使送风口附近气流温度较高，而房间其他空间平均温度较低。

图5房间中心纵剖面上的温度分布

同样取水平线段L1、L2以及垂直线段L3和L4以研究温度随房间水平和垂直方向变化情况，曲线位置见图1（a）所示。

图6给出了各工况Z=0.1m和Z=1.2m高度处温度水平分布情况。由图6（a）可得不同工况扩散区内外温差随气流扩散距离增加而减小，即扩散距离较远，温度分布较为均匀。工况1内外温差为3.5℃，而工况3温差达6.5℃。温差过高会使人员出于交界区域时会有冷热突变的不适感。由图（b）可得，Z=1.2m高度处温度变化幅度比Z=0.1m高度处平稳，仅在各工况的扩散区末端处（即图6（a）温度突变位置）受上升热气流作用，温度曲线会有略有升高，其温度增幅受到侧壁开口百叶的影响，但影响效果很小，不同工况之间温度最大值的差别小于0.3℃。对于人体呼吸平面处人员舒适程度不会造成太大影响。

图6 Z=0.1m和Z=1.2m高度处温度水平分布曲线

图7为不同工况距离风口1m和3m处温度垂直分布曲线。由图7（a）可知，距离送风口1m处时，各工况在近地面温度迅速降低，而后保持稳定。工况1、2和4在0.5m高度以内温度迅速降至稳定值，而工况3由于处于扩散区末端，受末端温度分层效果加强的影响，温度随高度升高下降缓慢，至3m高度处才降至稳定值。由图7（b）可得，在距离送风口3m处，工况3处于扩散区外部，温度始终维持较低水平；工况2和工况4处于扩散区末端，近地面温度降幅较缓慢。工况1曲线分布与图7（a）相似。综合分析图7可得，与其他供暖方式相比，碰撞射流通风供暖时，会使扩散区内部，尤其是扩散区末端温度分布呈现下高上低的状态，使温暖的新风分布于人员工作区域中，并且会使人体感觉到“脚暖头凉”的舒适感觉，对于供暖效果有加强作用。

图7距离风口1m和3m处温度垂直分布曲线

3结论

通过对上述模拟结果的分析，可得到如下结论：

1）碰撞射流通风管壁侧设置开口以及百叶时可以低近地面处气流速度，以减小风口附近人员的吹风感，增强舒适性。虽然同时会减小气流扩散距离，但问题可以通过增设送风口解决。本文模拟的四种情况表明，工况2为最佳选择，即保证一定扩散距离的同时大幅降低了气流沿地面运动速度。

2）从温度模拟中可得，碰撞射流通风在扩散区内呈现房间下部温度较高而上部温度较低的分布形式，使房间下部供暖效果增强，能源利用效率提高。

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[4]Karimipanah T,Sandberg M,Awbi H.A Comparative Study of Different Air Distribution Systems in a Classroom[A].In ROOM -VENT2000[C].Oxford:Elsevier Science,2000:1013-1018

[5]Karimipanah T,Awbi H.Theoretical and experimental investigati -on of impinging jet ventilation and comparison with wall displac -ement ventilation[J].Building and Environment,2002,37(12): 1329-1342

The Influe nc e on Indoor Air w ith Diffe re nt Type s of Air Outle ts

WANG Shuang,KANG Yan-ming
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Different air jet system outlets are studied by CFD simulation.Analysis of results of the velocity field and temperature field conditions showed that setting louvers and small openings near the ends of the outlet will lower the air distribution distance as well as the distribution velocity under typical operating conditions,so indoor people will not feel cold by the wind.All conditions are characterized by a lower space temperature is higher than the upper part,which can achieve high energy efficiency air supply.

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1003-0344（2014）05-019-4

2013-7-5

王爽（1987～），男，硕士研究生；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境学院5135（201620）；021-67792554；

E-mail:leowangvscq@163.com

国家自然科学基金资助项目（40975093）