风口扰动对出风频谱特性影响的实验研究

张川 端木琳 高南

风口扰动对出风频谱特性影响的实验研究

张川1端木琳2高南3

1上海交通大学制冷与低温工程研究所
2大连理工大学建设工程学部
3大连理工大学航空航天学院

研究具有与自然风波动特性相同的机械风是近年来建筑环境学中的热门课题，本文利用自由剪切流中展现涡对流向速度的影响，提出了一种利用自由剪切流制造具有1/f紊动特性仿自然风的新方法。实验结果显示，自由剪切流混合层在低频区上的流向风速具有与自然风类似的1/f紊动特性，利用自由剪切流模拟自然风的方案是可行的。同时通过改变其中两股平行流速度梯度、主动扰动、被动扰动的方式可以调节风速波动在低频区的功率谱指数，提供了利用低能耗方法制造仿自然风，改善空调舒适性的新思路。

仿自然风自由剪切流功率谱密度

0 引言

气流紊动物理结构的变化规律以及气流紊动特性对热舒适性的影响是近代建筑环境学领域中重要的研究课题。与同样速度的机械风相比，自然风更容易给人以舒适的感觉，这说明吹风对人体热舒适性的影响不仅与风速的平均水平有关，还与风速的波动情况有关[1]；研究风速波动时频谱分析是常用的方法，双对数功率谱密度曲线上的功率谱指数是表征风速波动能量分布的重要参数，也是最终衡量机械制造的风场与自然风风场是否相似的主要指标，一般认为在人体有感的风速域内，自然风与机械风的功率谱指数β分界点在1.0～1.1左右[2～4]。

风场在时间上的脉动和湍流息息相关。湍流是自然界中常见的流动，湍流脉动并非完全不规则的随机运动，而是在不规则脉动中包含可辨认的有序大尺度运动。大尺度结构的发展决定了流场中脉动在时间上的分布。湍流中存在有序结构最重要的应用在于可以通过干扰这种大尺度结构来控制湍流，从而形成具有不同频谱的流场。本文的目的就是形成不同特性的流场，最终目标是根据这些特性设计出效果好、耗能低的舒适性送风装置[5～6]。以常见的自由剪切湍流来说，主要是可以破坏或加强展向涡结构，改变湍流的性质，对于本文来说就是改变了流向上的速度时间序列，从而改变出风的频谱特性，模拟自然风[7～8]。

综上所述，本文希望通过对自由剪切流的研究，探究制造具有1/f紊动特性出风的新方法，探究不同扰动条件对功率谱指数β的影响，为探究不同功率谱指数β出风对人体舒适性影响提供稳定的送风源[9～11]。

1 实验方法

图1所示的整体系统图简明表示了整个实验系统的情况，设计的实验系统主要由进风模块、整流模块、控制模块、测试模块四大模块组成：进风模块主要是两个配有变频器的离心式风机，每个风机的最大风量约为1500m3/h，变频器用来变化风机转速改变出风量，获得不同的速度梯度；整流模块是整个实验台的主体部分，其作用是产生自由剪切流，为此设计了一个上下分隔的整流风洞，整个风洞分为扩散段、均匀度、收缩段三部分，如图2所示，实验台的出风速度最大定在2.5m/s左右。其中出风口的尺寸为0.4m× 0.25m，其中0.4m是风洞两个侧板之间的距离，0.25m是单股平面平行流动的高度；扰动模块的主要作用是破坏展向涡结构，以改变流向上出风的频谱特性；测试模块主要由热线风速仪、数据采集卡、计算机三部分构成。

图1 实验整体系统图

本实验采用的热线风速仪是航华CTA-02A型多通道热线风速仪，热线探针直径5μm，长度1.5mm。探头被安装在一台计算机控制的3维坐标架上，其位移精度为0.05mm。实验前首先在不同风速下标定热线风速仪，得到风速与电压的对应关系：

式中：v表示测点的风速，m/s；u表示热线风速仪的输出电压，V。

本文探究了三种改变流场特性的流动控制方法。第一种为被动控制方法，一个风道流速保持不变，另一个流道可变流速，这样通过改变速度比的方法在风洞出口形成不同速度梯度的剪切层。第二种也为被动控制方法，在上下风道风速比不变的条件下，在流场出口加入不同的三角形锯齿扰流片。锯齿会形成流向涡扰动流场，扰流片长40cm，宽3cm。一共使用三组扰流片，尺间距分别为1cm、2cm、3cm，如图3所示。第三种控制方法为主动开环控制，一组Arduino单板机发出指令给伺服电机，电机以不同频率摇动矩形扰流片。扰流片长40cm，宽3cm，安装在风洞出口，如图1所示，扰流片运动振幅为5°。

图2 实验台（单位：m）

图3 主、被动扰动自由剪切流示意图

整流风洞搭建完成后进行了风洞出口流场均匀性的测量。结果显示，在分隔铝板上下15cm的范围内速度的平均值变化在5%以内，最大湍流度在0.1左右，误差属于可接受范围。

考虑风洞的出风速度不大，因此测点均匀布置在距离风洞出口1m以内，分别距离风口10cm，30cm， 50cm，70cm，90cm处，这是测点在流向上的位置；在展向上，理论上速度场是均匀的，测点可以选取在流场内的任意位置，实际上靠近边界的部分可能受边界条件影响，因此将测点选取在流动展向的正中央，距离左右侧板分别20cm；在法向上，要保证测点在自由剪切流的混合层内，自由剪切流的混合层厚度是随着流动的发展而变化的[4]，但无论怎样，两股平面平行流动的交线始终在混合层内，因此在法向上始终保持测点与分隔钢板同一高度，保证测点始终在混合层内。这样就可以确定实验过程中热线探针的三维坐标位置了，其初始位置如图4所示——距离风口10cm、位于流动展向的正中央、与分割钢板在同一高度，其中箭头所指为热线探针。

图4 热线探针初始位置示意图

实验过程中，热线探针通过支架固定在三维坐标架上，通过三维坐标架控制程序来控制热线探针的位置变化。在某种确定条件下，测点热线探针位于初始位置时，对该点的风速信号进行采样，采样结束后，程序控制热线探针移动到下一个测点——距离风口30cm、位于流动展向的正中央、与分割钢板在同一高度处，进行该点处风速时间序列的采样，这样依次进行50cm、70cm、90cm处测点的风速采样，采样完成之后，热线探针重新回到初始位置，进行下一种条件下各个测点的风速采样。

2 实验结果

每组实验结束之后，得到的是五个测点在既定采样频率下具有每组采样数个数据风速时间序列X(t)：

式中：N表示每组采样数。

数据处理时首先对多组数据求平均值以减小相对误差，然后把风速时间序列中的每个元素减去平均值得到风速波动值的时间序列。用傅里叶变换的方法把时域上速度波动的时间序列转换为频域上具有不同频率和振幅的波动Y(f)：

式中：fs表示采样频率；N表示每组采样数；an+bni是能表示第n个频率对应波动振幅及相位信息的复数。需要注意，根据采样定理以fs的采样频率采样时只能真实还原fs/2频率以下波动。

相应点的功率谱密度E可以表示为：

式中：n=0,1,2,…,N-1；X(n)表示风速时间序列X(t)的快速傅里叶变换；△t表示采样时间间隔，其随f的变化情况即为所需的功率谱密度函数。

图5是无扰动条件下，距离风口10cm处速度频谱分布图。当没有速度梯度的时候，在各个频率上的波动分量近似相同，低频区的功率谱密度曲线近似水平直线。当下流道速度减小，即速度梯度增大以后，低频率的波动分量更加明显，同时在功率谱密度曲线上表现出与无扰动机械风完全不同的频谱特性。随着速度梯度的加大，其功率谱指数β逐渐增大。

图5 无扰动条件下两流道距离风口100mm处速度频谱分布图

被动扰动的主要方法是通过在出风口的隔板上安装锯齿状的细长木条，使木条与隔板成45°，向高速一侧倾斜，干扰两股平面平行流动的混合过程，改变出风的频谱特性。实际实验结果发现，三种不同长木条对流场的扰动效果基本是一样的。图6所示的是使用了间距为20mm的扰流片的结果（上流道2.4m/s，下流道1.2m/s）。被动扰动对流场最直接的影响就是加速了波动能量在低频区的衰减速度，从而增大了低频区的功率谱指数β。由于锯齿状木条的存在加速了与低频波动相对应展向大涡的破碎，从而使风速波动在低频区表现出较快的衰减；但不同尺度锯齿状木条对流场的扰动没有出现差异，应该是因为不同尺度的锯齿对展现涡的破坏作用是相同的，并没有发生预想差异。

图6 距离风口100mm风速功率谱密度曲线

主动扰动是在出风口的隔板上安装细长的木条，木条以不同频率摆动时各测点风速特性的变化。图7给出了木条以1Hz、3Hz、5Hz频率摆动时测点风速的低频特性。从图中可以看出，由于木条的周期性摆动使得测点的风速波动出现明显的周期性，并且风速波动变化的频率与木条的摆动频率十分接近；在频域上，木条摆动频率附近的频谱具有明显的突起。因此，主动扰动给风速特性带来的最大变化是增强了风速波动的规律性。在风速的双对数功率谱密度曲线上也能明显地看去由于主动干扰木条的周期性摆动，使频率在木条摆动频率左右的波动能量明显增加，这种能量分布变化最直接的结果就是引起低频区功率谱指数β的变化，以1Hz的主动扰动为例：在没有主动扰动的情况下，波动能量在1Hz左右已经开始衰减，使功率谱密度曲线具有负斜率，出风具有自然风1/f的紊动特性；存在1Hz主动扰动的情况下，由于在1Hz上的波动能量增加，使得1Hz之前的功率谱密度曲线一直保持水平，波动能量的衰减主要发生在1Hz之后。这就意味着，某种频率的主动扰动可以增加功率谱密度曲线上相应频率的能量，从而改变功率谱指数β，达到调控功率谱密度曲线斜率的目的。

需要说明，本文设计的三组主动扰动实验最终都减小了低频区的功率谱指数β或者说增大了波动能量开始衰减时的频率，使出风频谱特性向着接近机械风的方向发展，这是由于设计的扰动频率均大于无扰动情况下波动能量开始衰减时的频率，故扰动的存在相当于减缓了能量的衰减速度，如果扰动频率小于无扰动情况下波动能量开始衰减时的频率，就会增加波动能量在较小频率上的分量，相当于加快能量的衰减速度，使低频区的功率谱指数β增大。

图7 主动扰动风速功率谱密度曲线

表1更全面地对各组实验的结果进行了总结对比，其中β1，β2，β3，β4，β5分别代表确定实验条件下10cm、30cm、50cm、70cm、90cm处测点风速波动双对数功率谱密度图上的功率谱指数，A、B、C锯齿的形状如前所示。

综合上面的实验结果可以总结出下面几个规律：

1）确定条件下的单组实验，在本文设计的测量范围内各测点风速的波动特性基本相同，双对数功率谱密度图上的功率谱指数基本不发生变化；

2）无扰动机械风在低频区的功率谱密度曲线近似水平直线，属于典型的白噪；

3）具有速度梯度的两股平面平行流动混合时，在混合层中的测点风速波动特性具有自然风类似的性质，并且功率谱指数的大小与速度梯度的大小有关，速度梯度越大，功率谱指数越大；

4）主动扰动可以使测点风速波动出现明显的周期性，改变波动能量在频域上的分布，增加扰动频率附近的波动能量，使波动能量衰减发生在扰动频率之后，而在扰动频率之前的功率谱密度曲线近似水平，具有与机械风类似的特性；

5）被动扰动能够加速了波动能量在低频区的衰减速度，增大了低频区的功率谱指数β，但就本文实验结果来说，不同尺度的锯齿扰动对测点风速波动的影响是相同的，并没有出现预想的差异。

表1 不同实验条件下各组实验结果比较

3 结论与分析

实验结果表明在两股速度不同的平行流所形成的自由剪切流混合层中，流向上的风速的确具有与自然风类似的1/f紊动特性，利用自由剪切流模拟自然风的方案是可行的。自由剪切流中两股平行流的速度梯度可以影响风速信号在低频区上的功率谱指数，速度梯度越大，功率谱指数越大，据此可以调节风速信号在低频区的功率谱指数；主动扰动（摆动性质）会使功率谱指数出现分段特性，在小于扰动频率的区间上表现白噪的特性，大于扰动频率的区间上表现粉噪的特性；被动扰动（破坏展向涡）能够加速波动能量在低频区的衰减，增大功率谱指数，但不同尺度的破坏对功率谱指数的衰减速度没有差异。

利用本文的研究结论，可以设计出基于自由剪切流的新型风口，使风口出风具有与自然风类似的频谱特性，并通过上述三种方式调节出风的频谱特性，达到以低能耗方法制造仿自然风，改善空调热舒适性的目的。

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Expe rim e nta l Study of Influe nc e on Airflow Fluc tua tion Cha ra c te ris tic by Pe rturba tion a t Air Outle t

ZHANG Chuan1,DUANMU Lin2,GAO Nan3
1 Institution of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong University
2 Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
3 School of Aeronautics and Astronautics,Dalian University of Technology

This paper raises a new method to produce mechanical wind with 1/f fluctuation using free shear flow.By experimental results,in the mixing layer of free shear flow,velocity of flow direction has same fluctuation characteristic with natural wind in the frequency region sensitive to human sensation.It signifies the possibility of simulate natural wind with free shear flow.With change of velocity gradient,perturbation active and passive,power spectrum exponent varies.Such,it provides a new approach to produce“natural wind”with low energy consumption.

natural wind,free shear flow,power spectrum density

1003-0344（2014）06-006-5

2013-9-22

张川（1990～），男，硕士研究生；上海市闵行区东川路800号中意绿色能源楼208室（200240）；E-mail:liumengwuhen@sjtu.edu.cn

国家自然科学基金（No.51078052）