不同射流间距下非定常条缝双射流的数值模拟研究＊

张灿通，鞠鹏飞，2，王宝康，戴源镔，李广傲

（1.天津理工大学、机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学），天津 300384；2.天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384）

多风口空气调节设备在厂房、会议室及地下工程等大空间建筑中被广泛应用[1]。大空间建筑比普通居民楼房间更大，对于空调出风的流速、室内温湿度和冷气覆盖程度有着更高的设计难度，如何利用多风口特性对被调节空间进行符合人体舒适性要求的设计成为大空间建筑空气调节的研究热点之一。空调出风口吹出的冷气属于非等温湍流射流，在研究空调射流对室内流场的影响时，鲜沐希[2]通过实验验证了利用分形理论研究空气流场特性的可行性，并得到空调送风射流的湍流强度随着分形维数的增大而增大，冷气团卷吸周围介质的能力也在增强。宋高举[3]通过可视化实验对12 种空调典型送风口的射流流型进行了研究，得出对于非等温射流，其紊流系数随射流出口阿基米德数的绝对值的增大而减小。以上均对单射流的空调出风进行了研究，而多射流在室内空气调节中的研究尚少，但在射流强化传热领域和流化床领域是一个研究热点。在双射流相互影响特性的研究中，洪若瑜等[4]通过数值模拟对二维气固流化床进行了双射流研究，发现双射流的相互作用可分为3 种，即孤立射流、过渡射流和互作用射流，并提出了相应的射流间距判据。耿丽萍等[5-6]通过PⅠV 流场测试系统进行了周期性变化及多喷嘴的湍流射流冲击平板实验，周期性湍流采用的是质量流量控制的正弦和矩形变化的射流，研究发现了2 种周期性射流冲击传热性能有很大差异，矩形冲击射流的传热性能优于正弦冲击射流。从文献[4-6]可知，对多射流设置不同射流间距和使射流以非定常出风都可改变流场特性并强化传热，提高射流与周围流体的掺混效果。因此，本文以等频率等物理时间的非定常双射流为例，研究不同射流间距下非定常双射流对室内流场的影响。

1 物理模型

本文的物理模型为不考虑上下空间带来流量补充的近壁面空调射流，并简化为忽略重力场作用的二维空气射流平面。双射流出口的长度根据大空间建筑空调室内机出风口的长度而得，典型空调室内机的出风口长宽比在10 左右，因此可以认为空调出风的射流为条缝射流[3]，在模型内将出风口简化为长度为0.4 m 的直线。根据射流分段可知，射流流向长度为25～100倍的风口直径时（对于条缝形风口指风口的长度），射流能达到充分发展的紊流段[3]，为使空调射流在流场中充分发展，将流场长度设置为射流出口宽度的25 倍，流场宽度设置为射流出口宽度的20 倍，因此模型的尺寸为10 m（长）×8 m（宽）。流场物理模型如图1 所示。双射流速度场入口为一个同相位周期性振荡的正弦波，射流流速v随时间t的变化如图1（b）所示。

图1 流场物理模型

为使非定常双射流能够在流场内充分发展，计算的物理时间取t=50 s，出风频率为0.1 Hz。根据文献[4]可知，当出风口特征长度为D时，双射流的相互作用可分为3 类：①当射流间距较大时（大于10D），射流不相互作用，称为孤立射流；②当射流间距中等时（3.5D～10.0D），射流表现出较弱的相互作用，称为过渡射流；③当射流间距很小时（0～3.5D），2 个射流很容易在喷嘴上方合并，形成一个更大的射流，称互作用射流。为了使双射流间距对双射流流动的影响更加明显，因此本文中将射流间距L设置为L1=1D、L2=2D、L3=5D、L4=10D。

2 数值方法

本文采用ANSYS Fluent 软件进行数值模拟，所采用的控制方程为雷诺平均纳维- 斯托克斯（Raynold-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程组，为非定常计算。所有模拟初场均为速度0 m/s、压力101 325 Pa、温度30 ℃的均匀初场。本次数值模拟采用的湍流模型为k-epsilon RNG 模型。

在出风口位置采用速度进口边界条件，进气温度为20 ℃。出风口位置采用压力出口边界条件，压力为101 325 Pa。其他位置均为无滑移壁面边界条件，所有壁面均为绝热。

计算网格采用结构化网格，由ANSYS Workbench中的Meshing 生成，并对送风口的射流流道进行了加密。网格分布如图2 所示。

图2 模型的网格剖面

3 模拟结果分析

3.1 温度场分析

流场的平均温度测量采用基于质量平均的测量方式，流场平均温度随时间的关系如图3 所示。从图中可以发现，不同射流间距的流场降温规律是相似的，呈波动型下降趋势，这是由于射流出风为周期性变化所致。

图3 温度场分析

测量点分布如图4 所示，测量得到在物理时间为50 s 时流场内的各点温度，结合该时刻流场的平均温度，进行温度标准差计算[7]：

图4 测量点分布

式（1）中：n为测量点个数；Ti为测量点温度，℃；为流场的平均温度，℃。

标准差可以反映样本数据的偏离程度[7]，可以发现，当射流间距为1D时，温度标准差较大，流场内的温度分布相对不均匀；当射流间距大于2D时，不同射流间距的流场温度标准差均较小，温度分布相对更加均匀。4 种射流间距在物理时间为50 s 时的温度场云图如图5 所示。当射流间距为1D时，流场内形成明显的低温射流，冷气在流向方向分布较为集中；对于射流间距大于1D的流场内并无形成明显射流，双射流在相互作用下使得冷气与周围流体掺混的作用增强，冷气在流场内的分布变得更加均匀。

图5 温度场云图（t=50 s）

3.2 速度场分析

流场的速度分布对于室内污染物扩散有着重要的参考作用。流场内的速度场矢量图如图6 所示。当射流间距为1D时，流场在射流流向方向的速度比射流两侧的速度较大；当射流间距为2D和5D时，射流在出风口两侧形成对称的涡流，涡流不断卷吸周围流体并逐渐向两侧壁面靠近，使得空调射流与两侧流体掺混强烈，速度分布相比射流间距为1D时更加均匀；当射流间距为10D时，流场的速度分布出现不对称性，涡流的大小不等且位置不再有对称性。

图6 速度场矢量图（t=50 s）

4 结论

在非定常送风条件下，射流间距对室内流场会产生明显影响，不同射流间距对流场的影响不同。对于平面射流，当射流间距为1D时，双射流会形成更大的射流，使得平面流场内温度和速度的分布在流向方向集中。当射流间距大于1D且小于10D时，双射流的相互作用随着射流间距增大而增大，流场的温度和速度分布比射流间距为1D时的更加均匀，冷气与周围流体的掺混作用更强烈。在多出风口空气调节中，适当改变出风口间距可以改善室内的温度和速度分布，避免冷气集中。