空气幕研究应用状况及展望

肖玉清董冰岩张红婴傅奇

空气幕研究应用状况及展望

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文章阐述了国内外大门空气幕的研究历程和现状，比较了各时期空气幕学者的研究成果，同时分析了各位学者主张的空气幕设计参数，如出口宽度、出口风速、出口角度等。总结了空气幕在各领域的应用研究现状，指出了空气幕研究存在的不足之处。

国外研究状况

空气幕的应用起源于1904年，Tephilus van kemmel[1]首先发明、定义了空气幕，并且将其应用在公共建筑的出入口处，如商场大门，旅馆大门和工业厂房车间大门等。

1930年左右，前苏联谢别列夫教授对空气幕的特性进行了大量仔细的研究，并推导了空气幕出风量与大门断面处横贯风量、大门面积、空气幕面积的关系。

1969年，美国学者Hayes(哈耶斯)[2]认为空气幕维持稳定运行的最小弯曲模量与空气幕的相对长度 和空气幕始射角有关，并根据实验与理论的分析得出了其关系图。

2000年，英国学者Y.T Ge,S.A Tassou[3]基于有限差分法建立了一个综合计算模型，并 通过此模型来计算和优化冷藏柜空气幕的参数设计。

2012年，葡萄牙学者Goncalves,JC[5]研究了空气幕安装在冷库室内，室外，大门两边的情况下的隔断效果。安装在室外的下送空气幕隔断效率超过70%，而侧送空气幕仅为55%，虽然循环型空气幕效率较高，但由于安装复杂，维护费用高，较少采用。

2014年，西班牙学者Tomas Gil-Lopez[6]通过对空气幕安装在冷库大门研究表明，相对以前一些物理的隔断方法，空气幕的使用能降低80%的热量传递。

国内研究状况

20世纪60年代空气幕开始出现在我国，且分别从前苏联和日本引入我国，从前苏联引进的是热空气幕，主要应用在北方，在冬天进行隔断保暖；从日本引进的为不加热的空气幕，主要应用在南方。

20世纪80年代末，李强民[7]根据上海当地的气象资料计算证明，一台空气幕在一个夏季可以节约电能5945，节能效果非常明显；1997年，河南纺织高等专科学校的蔡颖玲[8]对以自然通风为理论基础的算法、以平面射流为理论的算法、以根据空气动力学推导出的算法进行了比较分析；蔡颖玲通过实验比较得出，以自然通风为基础的算法和同时考虑风压和热压的以平面射流为理论的算法是比较合理的。

1999年，南京工程学院何嘉鹏副教授[9-10]在借鉴国外先进研究方法的基础上进行创新，将热空气从室外侵入室内的流场近似为二维流场，将库内外空气看做不可压缩流体，并且在空气幕射角，空气幕出口紊流系数，空气幕效率的情况下推导出了冷库大门空气幕的结构设计计算数学模型。同年，汤晓丽[11]中推导出了空气幕射流轴心弯曲轨迹方程式，并且在文献[12]中推导出了综合修正系数Cn的关联式。

21世纪初，陆亚俊，赵永利[13]对当时的热空气幕产品实际效果进行实验分析，结果表明，当时大多的热空气幕能阻挡室外风速为1m/s左右，而在北方，即使不考虑室外风速，仅仅由于热压引起的门洞风速远大于1m/s，空气幕的隔断性能远远达不到实际要求。

双层吹吸空气幕在抵御气流方面有着独特的优势，吹出气流具有较大的动量，气流速度衰减慢，方向性好，抗干扰能力强，但容易卷吸周围空气；吸入气流抗干扰能力弱，但不易卷吸空气，因此将二者结合的吹吸空气幕有着很好的抵御气流的特性。2001年，陈江平对超市的陈列柜双层空气幕进行了较为深入细致的数值分析计算，其将空气幕吹出气流分为三个区，即吹出区、发展区和回流区。吹出区的稳定效果受吹出气流速度影响较大，而发展区的方向性和吹出区射流轴心弯曲程度有着很大关系，回风区的回风效果取决于回风口结构的不同。根据回风区的特性，作者建议在冷藏柜的底部设置一块竖立的挡板，通过该挡板减小低温回风与冷柜外侧热空气的热质交换。数值模拟表明，设置挡板后，回风温度明显降低，最后作者推荐双层吹吸空气幕的射流速度应为0.8m/s～2.4m/s之间。

2013年，西南交通大学的查显顺，毕海权[14]对冷库大门空气幕在门宽方向上的阻隔特性进行了模拟分析，结果表明，大门空气幕形成的气幕主体在门宽方向上处于大门中间时，其抵御室外横贯自然风的能力最强。

2014年，谢晶[15-17]和南晓红[18]分别对空气幕应用在冷库大门上的冷库内流场进行了实验与计算机模拟分析，并得出了基本一致的结果，他们一致认为空气幕的最优出口风速为8.5m/s，始射角度为偏向室外15°，而前者主张出口宽度为40cm，后者推荐为50cm。

空气幕在其他领域的应用研究

波兰学者G.Krajewski建立了长宽高分别为8m、1m、2m的全尺寸走廊模型，并通过数值模拟得出，当发生火灾时，空气幕用于火灾控制的角度30°为最佳，出口风速应不小于20m/s，空气幕出口到走廊底部的距离与其宽度之比x/o不超过60，但当火源功率大于30MW时，空气幕出口宽度不应小于20cm。韩国岭南大学Makhsuda Juraeva、Kyung Jin Ryu对空气幕控制地铁站内微粒和灰尘从隧道进入站台进行了实验研究，2条实验的实际地铁隧道长宽高分别为400m、4m、6m，而火车尺寸为120m、5m、3.5m，空气幕安装在自然通风井和机械通风井之间，且长度固定位4m，实验及数值分析结果表明，空气幕的最佳风速、宽度分别为25m/s、0.2m，除此之外，空气幕的安装还能使排风量增加31.2%。

何嘉鹏提出利用空气幕安装在前室门处来防止烟气进入前室和竖井通道，并给出了空气幕在射流角度为30°，流量比为0.6时空气幕的设计风速和出口宽度。周汝对空气幕与正压防烟组合控制高层建筑火灾进行了研究分析，得出同时利用空气幕与正压防烟来控制建筑火灾时，至少能增加60s的挡烟时间，同时能减少1/3的新风需求量，并且竖井中烟气温度明显降低，减缓了烟气的扩散。吴振坤对空气幕应用在地铁站进行了实际测试及数值模拟分析认为，空气幕的出口速度应为5m/s或者4m/s，射流角度为15°。史诺提出将空气幕应用在厨房抽油烟机上，通过空气幕喷射出的气幕来隔断油烟的扩散，同时提高抽油烟机的效率，但是作者未给出任何设计计算公式及数据分析结果，同时抽油烟机工作时与人体头部相离较近，空气幕的运行势必影响人体的舒适性，因此，该应用的实用性和前景还有待商榷。

分析与总结

从空气幕的发展现状来看，其主要存在以下问题：

1.众多学者研究分析大门空气幕射流流场时只是从某一方面考虑，如仅仅考虑热压或室外风速形成的风压，这就可能造成推导出的公式计算的结果与实验值相差较大。

2.除阻风率，有效隔断压力外，应将能耗，舒适性纳入空气幕的综合评价体系。

3.当前商场大门形式多样，宽度不一，未有统一的计算公式来支持空气幕的选型。且实际工程应用中为简单地根据大门尺寸来选择空气幕的台数，准确性低。

从目前的研究现状来看，空气幕的研究还很不完善，空气幕用于隔绝热量传递方面的气流流场还有待于进行更深入详细的研究，特别是综合考虑各种影响因素下空气幕的隔绝密封效果，可以预见，今后空气幕将应用于更多的场合和领域，并将空气幕能耗及舒适性作为评价其性能的重要指标。

（作者单位：1江西理工大学2厦门华厦学院）

[1]Hayes F C.Stockers W F.Heat transfer characteristics of aircurtain[J].ASHRAE Transactions，1969 (1)：167-179

[2]F.C.Hayes，W.F.Stoecker.Heat Transfer Characteristics of the Air Curtain，ASHRAE Transactions，Vol.75，Part11，1969

[3]Y.T Ge,S.A Tassou.Simulation of the performance of single jet air curtains forvertical refrigerated display cabinets.Applied Thermal Engineering,2011,21(2): 201-219

[5]Goncalves,JC,Costa,JJ,Figueiredo,AR ,Lopes, AMG.CFD modelling of aerodynamic sealing by vertical and horizontal air curtains,ENERGY AND BUILDINGS,2012,52:153-160

[6]Tomas Gil-Lopez,Juan Castejon-Navas,Miguel A. Galvez-Huerta,Paul G.O'Donohoe.Energetic,environmental and economic analysis of climatic separation by means of air curtains in cold storage rooms,2014(74):8-16

[7]李强民.空气幕的隔断特性及其节能效果 [J].暖通空调,1986,16(2):4-8

[8]蔡颖玲.大门空气幕计算方法的比较分析[J].郑州纺织工学院学报，1997，8(2)：26-29

[9]何嘉鹏，王东方，王克金.冷库大门的空气幕结构设计计算模型 [J].南京建筑工程学院学报，1999，（2）：49-52

[10]何嘉鹏，王东方，王健，姜正良，焉建平.高层建筑防烟空气幕设计参数的数学模型 [J].应用科学学报，1999，17（3）：372-376

[11]汤晓丽.横向气流作用下气幕封闭特性的实验研究.青岛建筑工程学院硕士论文，1999

[12]汤晓丽，史钟璋.横向气流下气幕封闭特性的实验研究[J].建筑热能通风空调，1999:1-5

[13]陆亚俊，赵永利.我国上送式热空气幕产品现状分析[A].全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集[C], 2000，114-11

[14]查显顺，毕海权.大门空气幕沿门宽方向阻隔特性分析[J].制冷与空调，2013，27（3）：297-300

[15]谢晶，缪晨，杜子峥.冷库空气幕性能数值模拟与参数优化[J].农业机械学报，2014，45（7）：190-195

[16]缪晨，谢晶.冷库空气幕流场的非稳态数值模拟及验证[J].农业工程学报，2013,29（7）：246-253

[17]杜子峥，谢晶.冷库节能减排研究进展[J].食品与机械，2014,30（1）：253-257

[18]南晓红，何媛，刘立军.冷库空气幕性能影响因素[J].农业工程学报，2011,27（10）：334-338