空调系统中环形风口的送风特性研究

苏凯 樊越胜 李哲然 臧子阳 白思卓

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

随着经济的飞速发展，带动了整个建筑行业的发展，建筑的舒适性、节能性越来越受到更多人的重视。在一些商业高大空间，工业车间，办公室隔间等特殊空间，人们往往需要固定姿势长时间的工作，且工作环境可能是高温或者低温的环境，这对送风的舒适度提出了更高的要求[1]。

本文提出了一种新型环形送风口，其外观为环形，出风口设置在环形空腔内沿上，工作时，气流通过进风通道进入环形空腔，再由出风口狭缝射出，气流在射出时会卷带环形内空气一起送出。本文通过CFD数值模拟，对环形风口的速度场，温度场及卷吸规律进行研究，为环形风口的实际应用提供参考。

1 环形风口的数值模拟及实验验证

1.1 环形风口模型的建立

为得到正确的数值模型及模拟条件，建立无叶风扇原尺寸模型，通过仪器测量得到环形风腔的截面尺寸，环形出风口空腔截面如图1 所示。

考虑到环形风口在空调系统中的使用及安装，经过模型改良设计出环形风口顶送风模型如图2 所示。

图1 环形出风口空腔截面图

图2 环形风口顶送风模型

1.2 环形风口数值模拟

环形风口的网格处理主要采用CFD 前处理软件Gambit 完成，在网格划分时，针对各部分特征要求给与不同网格类型以不同的节点尺寸，结构较为复杂的区域采用非结构化网格，而结构相对规则且简单的区域采用结构网格，将网格区域划分为近场区与远场区，能保证网格质量的同时减少网格数量以减少内存需求[2]。如图3 所示。

图3 网格近场区与远场区划分示意图

1.3 边界条件及湍流模型设定

本研究中选速度进口为进口边界条件。以压力出口为出口边界条件。设定壁面为无滑移边界条件。科恩达面及风圈的接触面均设置为壁面边界条件。近场加密区及远场区均通过interface 边界进行信息交换。

环形流场中最高流速区域为出风口处，流速约为15 m/s，流动属于不可压缩流动。出风口处的雷诺数分别为15602.5，所以设定环形流场流动为湍流。

1.4 模型正确性验证实验

1.4.1 实验仪器与测试方法

模型正确性验证实验，采用AKIRA 牌无叶风扇HA-AX200/SG 作为送风装置，采用 Delta 牌HD-37AB1347 型热风仪作为测量风速设备。实验测点设置在环形风口上部、中部、下部，沿风口送风方向设置共计45 个测点。

1.4.2 实验工况

根据无叶风扇风速档位，分别设置了2 中不同风速的实验工况。工况1：出风口速度=7.0 m/s。工况2：出风口速度=10.0 m/s。

1.4.3 实验结果分析

将实验结果与模拟结果通过Origin 软件进行误差分析并绘制在一张图上，如图4 及图5 所示：

图4 出口风速为7 m/s 时模拟与实验结果对比

图5 出口风速为10 m/s 时模拟与实验结果对比图

在两种工况下将模拟结果与实验数据对比可知，风速衰减趋势和风速值的大小基本吻合，因而在进行其他模拟的研究时，可使用CFD 进行模拟计算。

2 环形射流流动性质研究

2.1 环形射流轴心速度衰减规律研究

在空调系统中，由于空调系统的噪音控制，因此空调系统中出风口的流速不宜过大。在本章及之后的研究中，取风口风速为2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s 为研究风速[3]。取2～6 m/s 的速度云图（图6）。

图6 不同速度下环形风口流场模拟云图

由图6 可以看出，随着风速逐渐增大，环形风的传递距离越来越大，流场区域逐渐增。流场在风口垂直方向上的分布，在出风口狭缝处风速较大，随着距离增加，环形射流将逐渐汇聚为一股圆形射流继续沿垂直方向射出。

将得到的模拟值，结合自由射流公式在Origin 上进行曲线拟合，通过拟合曲线参数得到曲线具体如图7 所示：

图7 出风口速度为4 m/s 时轴心速度拟合曲线

由图7 分析得出：在0～0.3 m 范围内，环形风口风速衰减十分迅速，在0.3～2.0 m 范围内风速衰减较为平缓，在2.0 m 之后，风速衰减很慢。拟合曲线在0～0.3 m 范围内有很好的相符性，在0.3m 之后拟合曲线略低于模拟曲线。

曲线拟合公式为：

式中：VX表示射程x 处断面处轴心速度，m/s；V0表示射流出口速度，m/s；D0表示风口尺寸与紊流相关系数；X 表示计算断面至风口的距离，m。

2.2 环形射流轴心温度衰减规律研究

取风速范围为2 m/s-6 m/s，送风温差为7.2 ℃，得到温度分布云图（图8）。

由图8 可以看出：环形射流温度场在送风口附近，在送风口狭缝处的温度明显高于环中心及环外。也可以看出温度场与速度场具有一定相似性[4]。

将得到的模拟值，结合自由射流公式在Origin 上进行曲线拟合，通过拟合曲线参数得到曲线具体如图9 所示：

图8 风速为2～6 m/s 温度场模拟云图

图9 出风口速度为4 m/s，送风温差为7.2 ℃时轴心温度拟合曲线

曲线拟合公式为：

式中：ΔTX表示射程x 断面处轴心温度差，℃；ΔT0表示射流出口温度差，℃；D0表示风口尺寸与紊流相关系数；X 表示计算断面至风口的距离，m。

2.4 环形射流卷吸量研究

2.4.1 环形射流卷吸量倍数

由图10 可以看出，气流在出风口狭缝附近的流速最高，气流方向为出风口方向。在出风口外围，有较少的气流被带入主气流中向出风口方向流动。在环形出风口内侧，有大量的气流被带入主气流中，向环形风口方向射流。

图10 环形风口射流速度矢量图

根据模型的尺寸，R=110 mm，r=119 mm，得到环形风口的面积：S=6.88×10-3m2，c=1.225 kg/m3，通过质量流量计算公式Q=Svc，计算得到在不同截面上2～6 m/s 出风口速度下的质量流量分布曲线，具体如图11所示：

图11 质量流量分布曲线

由质量流量分布图可以看出，质量流量在出风口附近最低，随着出风口速度增加而增加，取4 m/s 时在距风口截面1 m 处的质量流量计算流量倍增倍数，将倍增倍数定义为K，得到K=0.64/0.0337=18.99 倍。

环形风口在送风速度为4 m/s 时，在出风口附近会卷吸入约19 倍的周围空气，空气卷吸会使送风温差衰减的很迅速，空调系统的处理风会很快的和周围空气混合，流场温度分布在很短的距离内达到均匀，故环形风口适用于大温差送风系统[5]。

3 结论及建议

通过以上研究，可得出如下结论：

1）环形风口的速度衰减在0～0.5 m 范围内衰减迅速，在0.5～4 m 范围内速度变化较小。环形气流在距离风口0.65 m 处后会发生汇合。

2）环形风口的温度场与速度场具有一定的相似性，轴心温度在0～0.2 m 范围内迅速下降，在0.2 m 之后温度衰减缓慢，可以说明温度场在0.2 m 之后迅速趋于均匀。

3）环形风口送风速度为4 m/s 时，在距环形风口1 m 处会卷吸入约19 倍的周围空气，使空调处理过的空气在很短的距离内迅速的与周围空气混合，使得送风速度迅速衰减，在送风区域内不会造成吹风感。环形风口的温度场在很短的距离内达到均匀，在空调系统中不会造成送风区域的局部过热/过冷现象，环形风口结构简单，造价低，性价比高，适用于大温差送风系统。