均匀流吹吸式通风实验研究

郑文亨， 刘加平， 王 怡

（1.桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院，广西 桂林541004；2.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安710055）

0 引 言

对于传统的局部排风装置，一般都是采用吸入气流捕捉、控制污染气流，因此抽吸、排出的任务都是由吸入气流来承担，它只能在各种限制的安装条件下才能实现。同时，在排风罩口前方吸入的气流（控制风速）是急剧下降的，在离罩口不远处就失去了控制能力。单纯地依靠吸入气流去抽吸全部污染空气时，必要的排风量会随着排风罩口到污染源距离的增大而显著增加，排风罩的尺寸也要相应增大，这是很不经济的，使用起来也是比较困难。在吹吸式通风中，吹出气流和吸入气流相反，在吹出口前方气流流速的衰减较慢，它的捕捉、控制能力，尤其是输送能力是非常优越的。把吹出气流和吸入气流组合在一起协同工作，就可以弥补上述的缺点，这就是吹吸式通风，即在吸入口对面设置吹风口构成吹吸气流，用它去诱导、控制污染气流［1］。

关于吹吸式通风的研究可以追溯到20世纪40年代。1945年，Malin第一个提出了吹吸式通风可节约50%风量（与侧边排气罩相比）［2］。到目前为止，已有一些专家学者对吹吸式通风进行了实验和数值模拟研究［3－11］，但现有的研究多集中在敞口槽吹吸式通风上，对于均匀流吹吸式通风技术的研究尚有欠缺，尤其是对于吹吸气流的机理和规律性的认识显得非常缺乏。目前，对吹吸式通风已有的研究仍难以回答或解决均匀流吹吸式通风项目在实际工程应用所存在的疑虑或出现的问题，无法满足实际工程发展的需要。

本课题设计了均匀流吹吸式通风系统（接近工程实际），通过实验测试研究吹吸式气流轴心速度变化规律，并根据实验结果对理论分析得到的表达式进行验证。

1 吹吸式气流轴心速度控制方程

吹吸式通风示意图如图1所示。吹吸式通风的气流流场内各点的轴向流速，是由吹出气流和吸风口汇流共同作用，并叠加而成的［11］，满足如下关系式

式中um：吹吸气流中距吹风口x处的轴向流速，m／s；um1：当吸气口不吸风时，吹出射流中距吹风口x处的轴向流速，m／s；um3：当吹风口不吹风时，吸口汇流中距吹风口x处的轴向流速，m／s。

对于大吹风口均匀流吹吸式通风系统，吹风口为矩形，因此从吹风口出来的射流为三维紊动射流。由于三维射流是非常复杂的，目前并未有一确定的数学模型描述其流动特性。因此，在分析大吹风口均匀流吹吸式气流时，为了使问题得以简化，假设大吹风口的特征比e≈1（e＝d1／h，d1为吹风口宽度，h为吹风口高度）。对于特征比e≈1的孔口，沿轴向的速度分布几乎与轴对称孔口（圆形孔口）情形完全相同［12］，即，当吸气口不吸风时，吹出射流中距吹风口x处的轴向流速um1满足下式

图1 吹吸式通风示意图Fig.1 Schematic diagram of push－pull ventilation

式中D1——吹风口当量直径，m；

uc——吹风口出口气流流速，m／s；

c——常数，与风口形式有关。

当吹风口不吹风时，吸口汇流中距吹风口x处的轴向流速满足下式［13］

式中——吸风口处轴向流速，m／s；

F——吸风口面积，m2；

L——吹吸风口之间距离，m。

把式（2）、式（3）代入式（1）得

上式为吹吸气流轴向流速变化规律（主要针对高速流场的吹吸式通风，吹风速度通常高达10m／s），其中，x＞l（l为紊动射流起始段长度）。

2 实验及数据分析

2.1 实验设备及测点布置

2.1.1 实验设备

吹吸式通风系统实验装置如图2所示。吹吸式通风系统主要构成有：空调机组、排风机（排风量为9200m3／h）、吹风口（1m×1m）及其导流板、静压箱、吸风口（1m×1m）、吸风口挡板（1.5m×2m）和送、排风管等。其中，吹风口为均匀流吹风口，它的静压箱和送风管之间采用软管连接，这样在实验时可以改变吹风口和吸风口的间距，以便测试不同吹、吸风口间距时的吹吸气流流场。实验时，通过调整软管的位置来改变吹吸风口间距，分别测出吹吸风口间距为3.5m和3.8m时的吹吸气流流场。测试仪器为SwermaAir300微风速仪和testo 405－v1风速仪。

图2 吹吸式通风实验装置Fig.2 Experimental facility of push－pull ventilation

2.1.2 测点布置

测试断面上测点布置如图3所示，从吹吸风口的中心轴开始，在横向方向上，每隔0.25m取一个断面，在纵向方向，从中心轴开始沿两个方向每隔0.1m确定一个测点，沿着纵向方向一直往外测，直到流场外为止。

图3 测点布置示意图（单位：mm）Fig.3 Schematic diagram of measure point（unit：mm）

2.2 实验结果分析

2.2.1 轴心速度实验

图4是吹吸风口间距分别为3.5m和3.8m时实测的吹吸式气流轴心速度。从图中可以看出，当气流处于射流段时，气流流速基本保持不变，即吹吸气流的射流段为起始段，无主体段存在；当气流进入汇流段后，在吸气气流作用下，气流流速迅速增大。

2.2.2 实验数据拟合

由于射流段为起始段，无主体段存在，因此，根据实验测出的数据，分别拟合出吹吸风口间距3.5m和3.8m时汇流段轴向流速随x的变化曲线，如图5所示。在拟合过程中，定义式（4）为拟合函数，根据实验数据曲线形状，尝试用不同的风口相关系数c的值进行拟合。通过比较各自的拟合结果，确定最逼近实验曲线的拟合曲线，将表达式作为轴向流速变化的函数式，并确定风口相关系数c的值。

图5中轴向流速拟合曲线表达式如表1所示。从表中可以看出，在汇流段中，吹吸气流轴向流速按式（4）进行拟合时，拟合曲线与实验结果差值较大。

表1 轴向流速拟合曲线的相应表达式Table 1 Corresponding expression of axial velocity curve fitting

3 轴心速度实验与理论值分析

图6是吹吸风口间距分别为3.5m和3.8m时利用式（4）计算得到的汇流段轴向流速值和实验测出的汇流段轴向流速值之间对比。在利用式（4）计算吹吸式气流轴心速度时，取c＝0.114［14］。从图中可以看出，实验测出的值和利用式（4）计算得到的值两者之间变化趋势不一致，并且两者之间的差值也比较大。这是由于式（4）是描述高速流场（吹出气流流速10m／s左右）轴心速度变化规律；本课题的实验系统（均匀流吹吸式通风系统）吹出气流流速低（低于1m／s），远低于高速流场吹吸式通风。因此，传统的高速流场吹吸式通风轴心速度经验公式不适用于均匀流吹吸式通风系统。此外，根据实验测出的均匀流吹风口系数约为0.3，与文献［14］给出的值差别较大，这是由于均匀流吹风口能够使出风气流均匀分布，而文献［14］为普通的吹风口（出风气流并非是均匀分布）。

4 结 论

根据上述讨论，可以得到以下几点结论：

（1）传统的高速流场吹吸式通风气流轴心速度的经验公式并不适用于均匀流吹吸式通风系统；均匀流吹吸式通风气流轴心速度有其自身规律特性。

（2）对于均匀流吹吸式通风系统，吹风口的风口系数c的值约为0.3，与文献［14］给定的风口系数c值（0.114）差异较大。

（3）当吹吸风口间距分小于3.8m时，从吹风口出来的吹风射流在射流起始段还未结束就进入了汇流段，即吹吸气流中无射流主体段存在。

［1］林太郎.工厂通风［M］.北京：中国建筑工业出版社，1986.

［2］MALIN B S.Practical pointers on industrial exhaust systems［J］.Heat.＆Vent.，1945，42：75－82.

［3］ROTA R，NANO G，CANOSSA L.Design guidelines for push－pull ventilation systems through computational fluid dynamics odeling［J］.AIHAJ.2001，62（2）：141－148.

［4］WATSON S I，CAIN J R，COWIE H，et al.Development of a p；ush－pull ventilation system to control solder fume［J］.Ann.Occup.Hyg，2001，45（8）：669－676.

［5］GONZALEZ M E，MINANA A，BAEZA A.Influence of push element geometry on the capture efficiency of push－pull ventilation systems in surface treatment tanks［J］.Ann.Occup.Hyg.，2002，46（4）：383－393.

［6］OJIMA J.Worker exposure due to reverse flow in pushpull ventilation and development of a reverse flow preventing system［J］.JournalofOccupationalHealth，2002，44：391－397.

［7］ROBINSON M，INGHAM D B.Design and operating parameters for push－pull ventilation of open surface tanks［J］.Int.J.EnergyRes.，2003，27：757－770.

［8］GONZALEZ M E，MINANA A，BAEZA A.Visualization of airflows in push－pull ventilation systems applied to surface treatment tanks［J］.AIHAJournal.，2003，64（4）：455－460.

［9］HUANG R F，LIN S Y，JAN S Y，et al.Aerodynamic characteristics and design guidelines of push－pull ventilation systems［J］.Ann.Occup.Hyg.，2005，49（1）：1－15.

［10］GONZALEZ E，MARZAL F，MINANA A，et al.Influence of exhaust hood geometry on the capture efficiency of lateral exhaust and push－pull ventilation systems in surface treatment tanks［J］.EnvironmentalProgress，2008，27（3）：405－411.

［11］许邦令.论临界断面吹吸气流中的位置［J］.建筑热能通风空调，1987，1：10－11.

［12］董志勇.射流力学［M］.北京：科学出版社，2005.

［13］茅清希.工业通风［M］.上海：同济大学出版社，1998.

［14］ALBERTSON M L，DAI Y B，JENSEN R A，et al.Diffusion of submerged jets［J］.TransactionsASCE，1950，115：639－664.