侧面约束对吊扇流场影响的实验研究

2022-09-16王金锋辛军哲郑才翥

风机技术 2022年4期

王金锋辛军哲郑才翥

（1.广州大学；2.广东瑞泰通风降温设备有限公司）

0 引言

吊扇是一种有效、节能且经济的机械冷却设备，广泛用于需要通风降温及换气场所，如家庭住宅、商场、医院、工业生产车间等各种场所。在美国超过80%的独栋家庭建筑至少安装有一台吊扇，这表明了吊扇在热舒适和居住者对可控空气流动等方面有着广泛的需求[3]。相比空调系统而言，吊扇在保持舒适性的条件下更符合节能、环保的要求。最近一项研究结果表明，近年来学者们对吊扇的研究兴趣越来越大，相关出版物的数量是前33年的1.5倍多[2]。

目前，国内外学者对于单台吊扇在无约束或较小约束环境下的流场做了不少实验测试和模拟研究，得出了一系列关于吊扇流场的结论。J.Ankur等人通过烟雾可视化方法确定了吊扇下方不同的流动区域中的风速分布[4]。之后Ramadan Bassiouny 等人使用CFD 模拟计算对吊扇的流场分布特点进行研究，描述了吊扇在不同流动区域内的流动特性，同时引入了两种相关性参数帮助预测吊扇引起的气流分布[5]。Francesco Babich 等人进一步使用模拟计算对吊扇流场分布进行研究，并与实验数据进行比较，结果能够准确、定性和定量地预测吊扇所产生的气流[6]。Wenhua Chen等人也通过实验和模拟两种方式研究了安装吊扇办公楼的气流分布，通过实验结果验证了CFD 的预测结果，分析了吊扇转速和吊扇叶片的几何形状对流场的影响[7]。Paul Raftery 等人继续对吊扇在不同运行情况下产生的流场进行实验研究，论证影响吊扇流场的因素更加全面，有房间大小，吊扇直径、叶片类型、吊扇转速、吹风方向(上、下)、叶片安装高度等。得出对吊扇流场影响显著的因素有吊扇转速、吊扇直径和吹风方向，同时运用了几种新的无量纲表示方法，适用于各种类型吊扇和房间特征的风速比较，并且可以用来预测吊扇的气流分布情况[8]。Huan Wang 等人采用一种色谱序列粒子条纹测速(CSPSV)方法对吊扇流场进行了更加精确的测量，根据三维矢量测量结果，计算平均速度、湍流强度和涡量，并分析了吊扇在不同转速和吹风方向下的气流分布特点[9]。另外，陈家明等人对HVLS 吊扇流场做出详细的介绍，分析了不同叶片几何形状、叶片的几何参数以及有无叶尖小翼等都会对其流场分布有着较大影响[10]。

另一些学者对吊扇在有约束环境下的流场做了深入的研究。Wenhua Chen 等人通过实验和模拟两种方式分析了吊扇安装高度和吊扇离天花板距离对流场的影响，得出安装高度对吊扇气流分布的影响大于吊扇离天花板的距离的结论[7]。在实验方面Yunfei Gao等人也首次研究了桌子和房间分区对吊扇形成的流场分布和对舒适性的影响，通过对五种不同的房间分区配置进行测试，并与空房间的测试数据比较，得出了吊扇下方区域有家具阻挡时的气流简化模型和两种具有舒适标准含义的吊扇下方气流舒适度轮廓曲线，可帮助定位吊扇和房间家具的位置[11]。而Maohui Luo等人是对四种不同空间类型、家具配置、房间几何形状以及家具密度这些影响建筑中吊扇流场的因素进行了详细的实验测量，同时文章中引入了空速覆盖指数（AIC）来预测多种影响因素下吊扇流场的分布情况，并验证了以前在实验室研究吊扇风速之间的线性关系[12]。

以上关于吊扇流场的研究，各学者都在不同的方面做出详细且具有参考价值的成果，但在研究中没有涉及两台或者多台吊扇一起运行时的流场分布特点。由于多吊扇同时运行其流场相比单台复杂的多，到目前为止对于多吊扇运行的流场研究还很少。早前W.Yan 等人运用CFD 模拟方法研究了大容量低转速(HVLS)吊扇和两台吊扇所产生的气流模式，研究结果显示了吊扇的速度等高线、矢量图、流线轨迹和等速面[13]。而后Shuo Liu 等人研究了单个吊扇和多个吊扇引起的气流分布，作者从测量结果中开发了典型的气流模式，并通过烟雾可视化进行进一步的验证，对于单个吊扇的实验结果与之前的研究一致，对于多吊扇情况，转速水平的差异和吊扇之间的安装距离都会以复杂的方式影响气流分布[14]。最近Bitopan Das 等人通过CFD 模拟的方法对单台HVLS 吊扇和两台高速吊扇的冷却性能和气流分布特点进行了比较研究，得出两台高速吊扇产生的气流冷却效果随着距离增加而显著降低[15]。

从前面各学者的研究中可以看到，对于有墙体约束及两台吊扇间的流场的研究较少，Shuo Liu 等人[14]虽然也对两台及三台吊扇间流场的速度分布做了实验研究，但其测试是以建筑结构环境为主要分析对象，测点在房间内均匀分布，并具有较大的测点间隔，未能有效反映风扇之间流场的相互影响情况。本文主要从前人对吊扇一系列的研究成果出发，将按照ANSI/ASHRAE Standard 216-2020标准[16]，详细测试了吊扇在有墙体约束情况下的流场和两台吊扇间的流场，并分析其流场分布特点，为今后研究吊扇在有约束情况下流场分布特点提供参考和建议。

1 实验概况

1.1 测试场地和测试环境

本文的实验测试地点位于我国华南地区，测试时间为2021 年7 月26 日～2021 年8 月10 日。测试环境中共安装6 台吊扇，其中5 台直径7.3m，1 台直径4m。从俯视图上看各吊扇均是沿顺时针运转，在测试范围内均没有障碍物，另外两种直径的吊扇离吊顶的高度均在1.5m距离以上，根据文献[8]中的研究结果表明，本实验测试的吊扇安装远远超过吊顶的影响距离，后续分析可以无需考虑吊顶对风速的影响。测试场地的平面图和侧面图如图1所示。

图1 测试场地的平面图和侧面图Fig.1 Plan and side view of the test site

1.2 测试仪器和测试方法

本实验测试依据ANSI/ASHRAE Standard216-2020标准[16]执行，本标准适用于吊扇速度数据的测试，规定了仪器精度要求和测点布置方法。在吊扇轴向方向距离地面0.1m，0.6m和1.1m的三个高度和距离地面0.1m，1.1m和1.7m的三个高度分别用于确定坐姿和站姿状态人员脚踝、腰部及头部位置的空气速度，现场具体测试情况如图2 所示。在吊扇径向方向1 倍半径内、1～2 倍半径及2倍半径外三个区域测点间隔均不同，具体布点详见表1。

图2 现场测试图Fig.2 Field test picture

表1 不同直径吊扇测试位置布置Tab.1 Different test position layout of ceiling fans

本实验仪器选用4 台型号为WFWZY-1 的万向风速风温记录仪，仪器分辨率为0.01m/s，风速测量范围为0.05～30m/s。此仪器为实时全方位（360°）测量风速，具有响应快、精度高等优点，适用于本实验风扇风速测试的要求。通过对4台仪器校准，使各个仪器之间的测量误差在0.1m/s 范围内。仪器记录风速时间间隔设为最小值2 秒，在每个测点上测试均为3 分钟，最终测试数据取3分钟内所测得的90个风速数据的平均值。

为了方便各不同吊扇之间速度的比较，在实际测试过程中，将风扇的转速固定在保证不受约束一侧的站姿最大平均风速接近1.6m/s的条件下。经过调试，得到直径7.3m吊扇的转速为23r/min，直径4m吊扇的转速为42r/min，且在不同测试情况下吊扇转速不变。在进行任何测试之前，将门窗关闭，将吊扇开启运行15分钟以上，以避免外界环境和吊扇开始运行时流场不稳定带来的实验误差。在实验测试过程中，每隔3分钟将测试仪器移动到下一个测点位置处，在移动仪器的过程中待仪器及固定仪器的支架稳定后才开始计时测试下一个测点上的风速值，充分保证了本实验测试数据的准确性。

2 测试结果

2.1 单台吊扇风速的实验结果

图3 和图4 是仅开启2 号吊扇时沿A测试线和沿C测试线在不同高度上风速的测试结果，图5 是仅开启3号吊扇时沿D测试线在不同高度上风速的测试结果，图6是仅开启6号吊扇时沿B测试线在不同高度上风速的测试结果。各测试线的位置如图1所示，图中的平均风速为在0.1m、1.1m和1.7m三个高度上站姿速度的平均值。

图3 A测试线风速分布Fig.3 A Test line wind speed distribution

图4 C测试线风速分布Fig.4 C Test line wind speed distribution

图5 D测试线风速分布Fig.5 D Test line wind speed distribution

图6 B测试线风速分布Fig.6 B Test line wind speed distribution

2.2 两台吊扇间风速的实验结果

图7为仅开启2号和3号两台相同直径吊扇时沿E测试线在不同高度上风速的测试结果，图8为仅开启直径7.3m的5号和直径4m的6号两台不同直径吊扇时沿F测试线在不同高度上风速的测试结果，图9为仅开启1号和2号两台相同直径吊扇时沿G测试线在不同高度上风速的测试结果。各测试线的位置如图1所示，其中G测试线为朝着两台吊扇对称线和北墙的交点。图中的平均风速为在0.1m、1.1m 和1.7m 三个高度上站姿速度的平均值。

图7 E测试线风速分布Fig.7 E Test line wind speed distribution

图8 F测试线风速分布Fig.8 F Test line wind speed distribution

图9 G测试线风速分布Fig.9 G Test line wind speed distribution

3 数据分析

3.1 墙体对吊扇流场的影响分析

根据文献[2]对吊扇流场的分区概述，非常详细地将吊扇流场分成九个区域，分别为射流核心区、冲击区、扩散区、墙壁区、吸引区、回流区、滞留区、旋涡区和静止区。本文根据文献[2]和射流力学[1]理论将吊扇流场分为6个主要区域，如图10所示，图中的射流核心区、地面冲击区和地面扩散区类似于射流力学[1]的自由射流区、冲击区和壁面扩散区。在实际工程上吊扇大都安装在室内，周围都有围护结构的遮挡，在不同的建筑内部吊扇安装离墙距离不尽相同，便会导致各个区域内的风速分布发生变化，故下面将对吊扇与墙体间的流场分布特点进行分析。

图10 吊扇与墙体间速度分布特征Fig.10 Velocity distribution between ceiling fan and wall

图11（a,b,c）比较了A/C/D三条测试线在0.1m、1.1m和1.7m 三个高度上的风速。从图中可以看出，在C 测试线有墙面存在的时候，风速峰值出现的位置会更靠近吊扇中心，且在距地面越高的位置风速峰值就越靠近吊扇中心，另外吊扇下方三个高度上的风速峰值增大。根据图9中对吊扇的详细分区，可以分析出在吊扇离墙体较近时，产生的流场在地面扩散区会很快流到墙体冲击区中，此时地面扩散区的高速气流正向冲击到墙体，使得风速在墙体附近迅速降低，接着气流会沿着墙体向上流到墙体扩散区，气流沿墙向上流动发展，风速迅速增大，在这种有墙体存在情况下中间滞留区的空间就会被两侧射流核心区和墙体扩散区的高速气流压缩，从而导致在滞留区的流体压强相比无墙体阻挡情况时大，这样滞留区高压流体便会向外挤压其他区域，从而限制了射流核心区发展扩散，使得靠近墙体侧的射流核心区向吊扇中心收缩，并使峰值的速度增大；此外在0.1m高度上气流主要处在地面冲击区内，其流动受到地面冲击的影响较大，滞留区的高压流体产生的挤压效果并不起到主要作用，在1.7m 高度上气流则主要处在射流核心区内，其受到侧面滞留区高压流体挤压影响较大，并且受到地面的影响较小，而在1.1m高度正好处于两者之间，在此高度上虽然也受到侧面高压流体挤压，使得风速峰值向吊扇中心移动，但峰值偏移的并不大，所以从三幅图中可以看到在距地面越高的位置风速峰值就越靠近吊扇中心。

另外，从图11的三幅图中可以看出，在A测试线没有墙体等阻挡的情况下，风速在达到峰值后沿着径向距离的增大风速逐渐降低直至稳定到低速范围，而在C测试线有墙体阻挡情况下的近墙面附近，与文献[7]的结果极为相似的是，0.1m高度上风速会急剧降低，相反在1.7m 高度上风速会急剧升高，而在1.1m 高度上与1.7m相似，但风速值增加幅度要低于1.7m高度，同时在1.1m高度上风速达到峰值后其速度仍保持在较大范围内。根据图9可以分析出，在0.1m高度近墙面处的气流主要处于地面扩散区和墙体冲击区，在地面扩散区径向风速较大，流到墙体冲击区时气流直接正向冲击到墙体上，此时气流受到墙面阻挡会急剧降低，而在1.7m高度近壁面处的气流主要处于滞留区和墙体扩散区内，在滞留区内风速较低，而在墙体扩散区内，气流沿着墙体向上流动发展，在此区域内风速较高，所以在1.7m 高度近壁面处的风速急剧增大，在1.1m 高度近壁面气流处，根据其墙体附近风速小于1.7m 处的速度这一特点，可以断定，在该位置处流动大部分已经转向向上的扩散流动，但仍不完全，流动处于墙体冲击区到墙体扩散区的过渡段内。同时，通过图9分析，根据1.1米高度处的最小风速仍然较高，相应也可以判定，此高度仍然处于地面扩散区范围之内，扩散区的高度介于1.1m和1.7m之间。

从图11 的三幅图中还可以看出，D测试线吊扇与墙角之间的流动也与C测试线吊扇与墙壁之间的流动具有很高的相似性。同样吊扇下方三个高度上的风速峰值增大，但该增量较小，尤其是在1.1m 高度位置，甚至还有略微减小的情况。三个高度上风速峰值位置的内移量较大，似乎与墙壁方向的内移量相近。而在近墙角附近，其速度变化要比近墙壁附近要缓慢得多。说明墙角位置的气流扩散厚度远远大于正向墙壁表面。值得一提的是，在离墙角很近的区域，其速度相对于离墙壁同样距离处的变化更加缓慢。其主要原因是所测量的速度是不分方向和速度的，而在墙角附近由于结构的限制，阻碍了流体绕风扇轴圆周与方向的流动，流体只有沿墙角向上方向的分速度，其数值自然比同距离墙面的数值要低。

图11 A/C/D三条测试线在0.1m、1.1m和1.7m三个高度上的风速比较Fig.11 Comparison of wind speeds of A/C/D test lines at altitudes of 0.1 m,1.1 m and 1.7 m

3.2 相同直径吊扇间流场分析

关于两台吊扇间流场分布特点，根据冲击射流[17]里面的双股冲击射流的流动分区，把两台吊扇间流场也进行分区，如图13 所示。双股冲击射流里面的上喷形成区和上喷流区对应图13中两台吊扇间的风速干涉区和射流形成区。

图13 两台相同直径吊扇间速度分布特征Fig.13 Velocity distribution between two ceiling fans with the same diameter

从图7的E测试线风速分布可以看出，两台相同直径吊扇之间的风速分布相对于其连线中心垂直断面具有很好的对称性。需要注意的是，在实际流场中，由于两台吊扇安装的位置不同，3 号吊扇安装在墙角处，气流受到东墙的阻挡，吊扇靠墙侧的滞留区高压流体挤压射流核心区，导致射流核心区的主流方向偏向西侧流动，使得两台吊扇间风速交互的界面向西侧偏移，另外两台吊扇的性能也并不完全相同，这就导致两风扇之间的交界面并不完全在其几何距离中心位置。图6的测试数据显示，其两风扇之间的交界面要比图11 理想情况断面偏西侧0.5m的距离。

图12（a,b,c）比较了C/D/E/G四条测试线在0.1m、1.1米和1.7m三个高度上的风速，其中E测试线选取了2号吊扇侧的风速进行比较。从图12 可以看出，上述C测试线吊扇与墙壁之间的流动特点，同时也出现在E测试线吊扇与吊扇间交界面区域内的流场速度分布中，两吊扇之间的交界面类似于一堵虚拟的墙壁，将各吊扇的流动分开。由于吊扇与交界面之间的距离比吊扇与墙壁的距离较远，故其风速峰值出现的位置会更远离吊扇中心，且在距地面越高的位置风速峰值就越远离吊扇中心，另外吊扇下方三个高度上的风速峰值增大量也较小。在风扇近交界面附近，0.1m 高度上风速相对下降的较为平缓，在1.7m 高度上风速升高的也较为缓慢，在1.1m 高度上的速度分布与墙壁附近的速度分布也极为相似。

图12 C/D/E/G四条测试线在0.1m、1.1m和1.7m三个高度上的风速比较Fig.12 Comparison of wind speeds of C/D/E/G test lines at altitudes of 0.1 m,1.1 m and 1.7 m

从图12 的三个图中还可以看出，G测试线吊扇间斜向方向上的速度分布也与D测试线吊扇与墙角之间的流动具有很高的相似性。在G测试线的近边角附近，看不出其与D测试线的墙角位置附近流动有什么明显的不同。由于其距离不同，故间接说明，近斜向边角附近的速度分布受距离的影响较小。而和D测试线风速分布相比，G测试线三个高度上的风速峰值大小近似相同，并与A测试线无障碍下的峰值大小相近。但速度峰值所在的位置，则相对于D测试线沿墙角方向的速度峰值有进一步向风扇中心方向明显的内移。该现象说明，吊扇沿墙角方向和吊扇间斜向方向流动的挤压实际上是发生在吊扇射流核心区较高位置的起始段，而不是像壁面挤压那样发生在吊扇射流核心区较低位置的主体段。产生这一现象的主要原因是，吊扇沿墙角方向和吊扇间斜向方向的壁面射流厚度较大，沿墙壁向上厚度的增加较为显著，从而直接会挤压吊扇起始段的射流流动，并且距离越近这种挤压就越明显。

3.3 不同直径吊扇间流场分析

从图8 的F测试线风速分布可以清楚的看出两台不同直径吊扇之间流场的交界面位置，交界面同样类似于一堵虚拟的墙壁，将各吊扇的流动分开。该位置近似位于离大直径吊扇侧2倍半径处的位置。

图15（a,b,c）比较了C/E/F三条测试线在0.1m、1.1米和1.7m三个高度上的风速，其中E/F测试线分别选取2 号吊扇和4 号吊扇侧的风速进行比较。从图15 可以看出，两个直径不同的吊扇交界面区域内的流场速度分布与两相同直径吊扇间的速度分布以及风扇与墙壁间的速度分布都比较相似。只是如图14所示，由于小吊扇安装高度较低，其进风侧的负压会将大吊扇的部分气流吸入小吊扇内，造成大吊扇靠近小吊扇侧的射流速度减小且峰值外移，进而会在1.7m高度处出现图15c的速度分布特征。但由于其与交界面的距离较近，故在射流发展过程中，其仍会受到交界面附近气流的挤压，在0.1m和1.1m高度处分别出现15a和15b的速度流动特征。

图14 两台不同直径吊扇间速度分布特征Fig.14 Velocity distribution between two ceiling fans with different diameters

图15 C/E/F三条测试线在0.1m、1.1m和1.7m三个高度上的风速比较Fig.15 Comparison of wind speeds of C/E/F test lines at altitudes of 0.1 m,1.1 m and 1.7 m

3.4 不同约束下的径向速度分布特征

对于射流力学里面壁面射流区沿流动方向上最大速度的变化和边界层的厚度，文献[1]引用格劳特紊动壁面射流理论，将壁面射流分为两层，即具有自由射流特征的外层和壁面效应明显的内层。内层采用布拉休斯管流壁面率，外层采用普朗特自由紊流理论，分别求出这两层的相似性解，最后得出壁面射流最大速度与径向半径成反比，射流厚度与径向半径成正比的结论。壁面射流简化示意图如图16所示。

图16 壁面射流简化示意图Fig.16 Simplified diagram of wall jet flow

将无遮挡的A/B两条测试线在0.1m和0.6m高度上到最大风速位置以外的数据无量纲处理，再进行数据拟合得出图17（a,b,c,d）中的拟合曲线方程，R2分别为0.94，0.91 和0.88，0.12。结果显示，在离地面较近高度上的速度u与距离r有很好的反比例关系，另外，可以看到B 测试线在0.6m 高度上的风速拟合结果较差，反应出吊扇的地面扩散区的厚度与其直径有一定关系。继续将1.1m和1.7m速度分布以相同的方式进行处理，最后结果不能呈现反比例关系。上面结果表明在吊扇形成流场达到地面冲击区内会沿着地面进入较薄的地面扩散区，在该区域内的风速分布特点是符合射流力学里面的壁面射流理论。随后也将两台吊扇之间的流场以相同的方式进行处理，发现吊扇之间的相互干扰使得风速不再符合壁面射流理论里的速度分布规律，这可能是吊扇下方冲击区域较大，且两台吊扇之间距离较近，加之吊扇间的相互影响，使得壁面射流区域范围很小，无法形成壁面射流的规律就已经进入到两吊扇相互作用区中。