大空间旋流风口热舒适性研究

赵晓蓉

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 前言

随着我国经济水平不断提高，人们对室内环境的要求也随之提高，建筑能耗所占总能耗的比例越来越大[1]。良好的气流组织不仅可以提供一个舒适的热环境，同时也可以降低建筑能源需求。为了提高大空间建筑的环境舒适度，旋流风口由于其气流混合性较好而被大量应用[2]。

在大空间建筑中，安装于建筑顶部的散流器为建筑送风，气流首先在上部空间混合，当送风气流到达人员活动区时速度较小，不会产生不舒适的吹风感，热舒适性与热均匀性也较好。射流轮廓在旋流风口附近区域具有不规则性，原因为受旋流风口几何形状和射流条件的影响[3]。有研究表明，多旋流风口耦合流场区域内的轴向温度呈指数下降[4-6]。在过去的十年中，只有很少的研究集中在利用旋流风口改善室内空气分布和热舒适性上。一些研究致力于在不同的动态和热条件下改进旋流喷嘴，旨在通过增强氧化剂和燃料之间的混合来提高燃烧性能[7-8]。Ahmadvand等人[9]研究了轴向旋流对流体流动和传热的影响。主要针对30°、45°和60°三种不同的叶片角度进行对比。结果表明，当获得较大叶片角度时，热性能更好。Akililu等人[10]使用k-∈模型模拟由于单向和多向射流而产生的湍流与混合过程。Felli等人[11]研究得到扩散效率与近壁区域射流的变形和能量大小有关。Yang等人[12]采用2D-PIV技术研究了旋流风口的性能，结果表明旋流风口送风的卷吸能力要优于圆形散流器。

关于旋流风口的理论研究已经相对比较成熟。然而，旋流风口在大空间建筑中的应用研究却相对较少。为了改善大空间建筑中的气流组织和热舒适性，且由于旋流风口较高的卷吸率和空气混合能力，选择了具有不同旋流角度的旋流风口作为送风末端进行研究。

2 模拟模型

2.1 物理模型与假设条件

单个旋流扩散器的房间长12 m，宽12 m，高9 m。旋流风口安装在顶板中央，排风口位于侧壁的底部中央。假设旋流角度为0°(方案1)、30°(方案2)、45°(方案3)和 60°(方案 4)。 旋流扩散器的半径为0.2 m，排风口长0.8 m，宽0.2 m。另外，送风温度设定为18℃，送风速度为5 m/s。旋流风口室内送风示意如图1所示，旋流风口实际模型如图2所示。

图1 室内送风示意

图2 旋流风口实际模型

2.2 模拟方法

本文采用计算流体动力学(CFD)来模拟旋流风口送风。空气流动满足质量守恒、动量守恒定律及能量守恒定律。此外，在数值模拟中通过SIMPLE算法实现了压力-速度耦合。

3 评价指标

本文旨在研究旋流风口在大空间建筑中的应用。其中一些因素可以作为评估居住区空气分布和热舒适性的指标，例如空气速度、空气温度、射流中心线速度衰减系数(K值)和空气卷吸率。采用无因次中心线速度来评估人员活动区域的热舒适性，并研究了径向无量纲的温度和速度，以评估旋流扩散器的卷吸能力。此外，由旋流扩散器产生的旋流射流的性能可以通过一个常数来表征，该常数称为射流中心线速度衰减系数(K值)。K值可通过式(1)计算。

式中，V0为旋流风口出风速度(m/s)；V为距离旋流风口不同距离下的轴线速度(m/s)；K为速度衰减系数；A0为出风口面积(m2)；z为到轴线上某点处的距离(m)；zp为距旋流风口的距离(m)。

通过线性回归方法，K和zp可以用式(2)～式(3)表示。

式中，Qz和Q0为距离旋流风口z处的流量和旋流风口出风流量。

4 模拟结果分析

4.1 速度与温度分布

图3为具有不同旋流角度的无量纲轴线速度和温度分布曲线。从无量纲轴线速度分布可以看出，随着高度的减小，由于周围环境空气的卷吸作用，在所有工况下，速度均呈现出迅速减小的趋势。在旋流风口附近区域，方案1(0°)中有着最高的轴线速度。方案4(60°)的轴线速度最低，该方案中，送风沿屋顶延展，形成贴附射流，并通过立面送至活动区。与方案1相比，方案2～方案4中的中心线速度相对较低，这是由于旋流风口的送风与更多的室内空气混合，从而降低进入人员活动区的速度。在方案1～方案3中，人员活动区内的风速相比于送风口处的风速有明显的下降。温度分布与速度分布显著不同，方案4中由于送风形成贴附射流，沿屋顶运动后送入人员活动区，因此对下部区域内温度的改善作用较小。对于方案4，活动区温度远高于其它3种方案中同区域的温度。但是，方案1～方案3之间速度差异对人员活动区温度分布没有明显影响。当高度逐渐减小时，除了方案4之外，其它工况下温度上升呈现出类似的规律，这意味着旋流角度对人员活动区内热环境的影响基本可以忽略。同时，上部区域的温度衰减比下部区域的温度衰减更为明显，方案1～方案3可以为人员提供一个均匀舒适的环境。

图3 送风口轴线速度及温度分布曲线

本文旨在研究旋流风口在大空间建筑中的应用效果。因此，人员活动区的速度和温度分布是必不可少的因素，需要对其进行评估(见图4)。从速度分布可以看出，在方案1～方案3中，径向速度分布基本趋势相似，而在方案4中，由于旋流角度较大，速度场与其它相差较大，随着旋流角的增加，最高速度幅值逐渐减小。这是因为较高的旋流角会更快卷吸周围空气，使得风速下降较快，不会对人员活动区造成不舒适的吹风感。当旋流角大于45°时，最高速度约为0.5 m/s，这对于大空间建筑物是可以接受的。尽管在方案4中获得了最佳的速度分布，但温度比其它三个方案中的温度高约1℃。在高度为0.1 m时，前三个方案的温度分布类似，这说明尽管旋流角度不同，但对人员活动区内的温度影响较小。另外，方案1～方案3中的最高温度低于28℃。温度随径向距离的增加而略有增加，表明这样的送风方式可以在人员活动区提供相对较好的热舒适条件。

图4 距地面0.1 m处速度及温度分布曲线

从图4可以看出，尽管方案4人员活动区的速度比其它三种方案要好，但该区域内温度较高。因此，在这种情况下人员的热舒适性无法得到保障。在后续的研究中不再对60°旋流角度进行评估。

4.2 射流轴线速度衰减系数及卷吸率

表1列出了不同旋流角下射流轴线速度衰减系数和卷吸率。随着旋流角的增加，射流轴线速度衰减系数逐渐减小，这表明采用较高的旋流角度时，送风速度衰减迅速，大量的环境空气将与送风气流进行混合。对于给定的旋流风口，其空气诱导效果可以通过射流的卷吸率进行评估。方案1～方案3的卷吸率分别为1.4、2.1和2.6，这表明旋流风口的卷吸率远大于普通形式散流器。因此，与传统的散流器相比，旋流风口可以显著降低在人员活动区的吹风感。

表1 不同旋流角度下射流特性

4.3 不同旋流角度比较

为改善大空间建筑中的空气分布和热舒适性，比较了具有不同旋流角度(30°、45°、60°)旋流风口和常规送风口(0°)的速度场和温度场。在大空间建筑中，建议采用旋流角为45°的旋流风口。同时可以根据智能监测系统监测人员活动区域的风速和温度，改变旋流风口的旋流角度，调节人员活动区内的风速和温度，使之满足热舒适要求，同时达到节能的目的。

4.4 优化分析

根据以上研究，选择45°的旋流风口用于大空间建筑。为了评估风速的影响并优化人员活动区的空气分布和热舒适度，设置四种不同的送风速度，分别为4 m/s(工况1)、5 m/s(工况2)、6 m/s(工况3)和7 m/s(工况4)，对人员活动区内的风速和温度进行比较。

图5为高度为1.5 m时的水平速度和温度曲线。速度场和温度场均呈现对称分布。除中心线附近的区域外，四种工况下的速度差异不明显。从图5可以看出，送风气流可以覆盖大约12 m2的区域，超出这一区域风速基本为零。根据水平区域速度分布，大部分区域的人员都不会有吹风感。但是，由于沿侧壁的向上气流在接近侧壁的区域速度相对较高，送风速度对水平区域温度分布的影响比较明显，对速度分布的影响可忽略不计。另外，四种工况下的最大温差可超过1.5℃。当采用较低的送风速度时，温度会相对较高，但都可控制在28℃以下。当送风速度为6 m/s时，人员活动区内风速、温度分布最好，同时可根据运行监测数据，通过智能控制系统调整送风温度，使之达到舒适性要求。

图5 人员活动区水平面速度及温度分布曲线

5 结论

本文研究了旋流风口在大空间建筑中应用的可行性。对温度场和速度场进行分析，得出以下结论:

通过评价气流组织和热舒适性，研究了不同旋流角度(0°、30°、45°和 60°)下旋流风口的性能。 在送风口附近，轴线速度随旋流角度的增加而呈下降趋势。由于周围空气的卷吸作用，具有高旋流角度的速度衰减更快。当旋流角度大于45°时，在0.1 m高度处的最高速度约为0.5 m/s；当旋流角增加到60°时，气流沿顶面行程贴附射流，其人员活动区温度比其他方案高约1℃。方案1～方案3的卷吸率分别为1.4、2.1和2.6，旋流角度越大，送风的卷吸作用越强烈。因此，为提供舒适环境，建议选择45°的旋流角度。同时采用智能控制系统监测人员工作区速度与温度，调节旋流角度，达到舒适、节能的效果。

对于不同的送风速度，人员活动区内四种工况下的速度分布相似，送风速度对人员活动区的温度分布影响较小。送风气流在风口附近产生负压区，随着与出口距离的增加，负压区逐渐消失。综合考虑人员活动区内的速度与温度分布，建议采用6 m/s的送风速度。同时根据人员活动区的速度、温度监测数据，通过智能控制系统调节送风速度，使之达到更好的效果。