浮力通量作用下非等温射流特性研究

化亚魏 白 莉 车文昊 常文涛

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

空调送风口是空调系统的末端装置，空调送风口的射流效果是直接影响房间内的温度和速度分布的关键问题.对于非等温射流，影响室内空气射流特性的主要因素除了射流质量流量、动量流量和送风口形状外，浮力通量也有一定的影响.对于工程实践而言，要考虑浮力通量对风口射流的影响，同时也不能夸大其作用，这就需要对浮力通量既要做定性认识，也要做定量研究.随着计算机计算能力的提高，计算流体动力学CFD技术大量应用于各种空间的气流组织设计中.采用数值模拟的方法，研究非等温射流特性，分析其与常温射流的区别，对解决送风空调房间气流分布情况和室内环境舒适性问题具有重要意义.

1 模型设计

1.1 空调房间模型建立

建立一个尺寸为:7 200mm×5 600mm×3 200mm空调房间.为了便于研究浮力通量单一变量对射流的影响，围护结构温度设为恒定且与房间温度一致.

1.2 空调送风口情况

在空调领域使用最普遍的风口是百叶风口和散流器，为了便于风口模型的建立，减少模拟的计算量，实验选用的送风口为双层百叶风口，风口尺寸为700mm×160mm，有效面积系数为0.72，采用侧送侧回送风方式.

1.3 温度设定

空调房间的温度均设为20℃，风口送风温度分别为9℃和16℃，即代表大温差送风和小温差送风两种工况.

2 模拟过程

2.1 方程模型选择

对于湍流方程而言，方程模拟结果，与实际相比最为吻合，能够达到工程所需的精度［1－2］.本文将以模型来模拟湍流射流和室内流动，这样可以尽量避免因湍流模型不合适带来的误差，便于分析浮力通量的影响.

2.2 送风口的简化

百叶风口在长宽比不变的条件下，风口模型面积为原面积与有效面积系数的乘积［3］，这样能够保证质量流量与动量流量与实际一致.

2.3 网格划分情况与迭代次数的选定

网格划分均采用非结构化的网格划分方法，尽量提高划分的精度，避免网格划分对模拟结果的影响.在长宽高三个维度上，最大网格尺寸均设为0.2m，生成网格数为16 057，节点数量为169 729.迭代次数对模拟结果的有很大影响，如果迭代次数太少难以得到正确结果，迭代次数太多，又会增加计算时间.因此，本次样本计算迭代次数选择300次进行计算.

3 模拟结果分析

3.1 轴心偏移情况

在取不同的出口速度和温度的条件下，绘制出轴心偏移随射程的变化曲线，如图1所示，曲线1～4出口速度和温度分别为 16℃，5m/s;9℃，5m/s;16℃，2m/s;9℃，2m/s.

从图1可以看出，在速度为5m/s时，不管是大温差送风还是小温差送风，轴心偏移并不明显.在速度为2m/s时，轴心速度随射程偏移很大，特别是大温差送风时，在距离风口不到1m时开始明显偏移.根据文献［4］，浮力通量的计算公式为:

式中:g为重力加速度，m/s2;ρ为送风密度，kg/m3;m为质量流量，kg/s;v0为射流速度，m/s;ΔT为送风温度T和室内温度T0之差，K.

虽然入流动量和浮力通量都与初始速度成正比，但由于当初始速度较小时，浮力通量作用时间较长，所以初始速度较小时，轴心速度偏移较大.

图1 轴心偏移量随射程的变化曲线

图2 风口轴心无因次速度衰减曲线

3.2 轴心速度衰减

射流轴心速度随着射程的增加而减小，为了考察射流出口温度对轴心速度衰减的影响，绘制出出口温度为9℃和16℃时的无因次速度衰减图.如图2所示，可以看出9℃速度衰减曲线与16℃相比，衰减趋势基本一致，由于受到浮力通量的影响，9℃时轴心速度衰减较快，这与文献［5］的描述基本一致.

3.3 冷风沉降情况

由于浮力通量的影响，空调房间在一定程度上会出现冷风沉降.冷风沉降会给人体带来不舒适感［6］，更重要的是会直接威胁长期处在空调房间人员的健康.为便于观察冷风沉降情况，分别模拟出四种工况(工况1～4的出口温度和风速分别为16℃，5m/s;9℃，5m/s;16℃，2m/s;9℃，2m/s)的通过风口的竖直平面温度分布，如图1～4所示.

图3 工况1竖直平面内的温度分布

图4 工况2竖直平面内的温度分布

图5 工况3竖直平面内的温度分布

图6 工况4竖直平面内的温度分布

从温度分布图上可以明显看出，送风速度越低，冷风沉降越严重，同时送风温度也会影响冷风沉降.在出口风速为5m/s时，较大的风速增强了对房间空气的卷吸，延长了射流长度，即便是在出口温度为9℃的大温差条件下，也不会造成冷气流直接向下吹向人体的情况.在出口风速为2m/s时，特别是在大温差送风时，由于射流动量较小，浮力通量迫使射流向下偏斜，冷风沉降尤为严重，不利于冷热气流的混合，给空调房间舒适性造成威胁.

4 结语

(1)浮力通量使射流轴心向下偏移，当射流速度较小时，会使射流轴心向下有很大的偏移量;

(2)大温差送风与小温差送风的轴心速度衰减趋势基本一致，由于浮力通量的影响，大温差送风速度衰减较快;

(3)风口风速较大时，冷风沉降并不严重;当风口风速较小时，特别是大温差小风速送风，会产生严重的冷风沉降现象，这一点应引起相关工程技术人员注意.

［1］Nielsen PV.The selection of turbulence models for prediction of room airflow［J］.ASH RAE Tranasactions，1998，104(1):1119 －1126.

［2］化亚魏，白 莉，车文昊，常文涛.三种湍流模型在空气射流数值模拟上的性能比较［J］.吉林建筑大学学报，2015，32(1):51－54.

［3］赵 彬，李先庭，彦启森.百叶风口送风射流的数值模拟［J］.技术交流园地，2001，31(6):86－89.

［4］Tritton DJ.Physical Fluid Dynamics［M］.Clarendon Press，Oxford，1988.

［5］李 锐，康小鹏，丁 涛，杨 晖.空调送风口低温射流的实验研究［J］.流体机械，2004，32(4):5－7.

［6］陈晓春，朱颖心.零方程模型用于空调通风房间气流组织数值模拟的研究［J］.暖通空调，2006，36(8):18－24.