張川 端木琳 高南

風(fēng)口擾動對出風(fēng)頻譜特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

張川1端木琳2高南3

1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所
2大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部
3大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院

研究具有與自然風(fēng)波動特性相同的機(jī)械風(fēng)是近年來建筑環(huán)境學(xué)中的熱門課題，本文利用自由剪切流中展現(xiàn)渦對流向速度的影響，提出了一種利用自由剪切流制造具有1/f紊動特性仿自然風(fēng)的新方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，自由剪切流混合層在低頻區(qū)上的流向風(fēng)速具有與自然風(fēng)類似的1/f紊動特性，利用自由剪切流模擬自然風(fēng)的方案是可行的。同時通過改變其中兩股平行流速度梯度、主動擾動、被動擾動的方式可以調(diào)節(jié)風(fēng)速波動在低頻區(qū)的功率譜指數(shù)，提供了利用低能耗方法制造仿自然風(fēng)，改善空調(diào)舒適性的新思路。

仿自然風(fēng)自由剪切流功率譜密度

0 引言

氣流紊動物理結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律以及氣流紊動特性對熱舒適性的影響是近代建筑環(huán)境學(xué)領(lǐng)域中重要的研究課題。與同樣速度的機(jī)械風(fēng)相比，自然風(fēng)更容易給人以舒適的感覺，這說明吹風(fēng)對人體熱舒適性的影響不僅與風(fēng)速的平均水平有關(guān)，還與風(fēng)速的波動情況有關(guān)[1]；研究風(fēng)速波動時頻譜分析是常用的方法，雙對數(shù)功率譜密度曲線上的功率譜指數(shù)是表征風(fēng)速波動能量分布的重要參數(shù)，也是最終衡量機(jī)械制造的風(fēng)場與自然風(fēng)風(fēng)場是否相似的主要指標(biāo)，一般認(rèn)為在人體有感的風(fēng)速域內(nèi)，自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)的功率譜指數(shù)β分界點(diǎn)在1.0～1.1左右[2～4]。

風(fēng)場在時間上的脈動和湍流息息相關(guān)。湍流是自然界中常見的流動，湍流脈動并非完全不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動，而是在不規(guī)則脈動中包含可辨認(rèn)的有序大尺度運(yùn)動。大尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)展決定了流場中脈動在時間上的分布。湍流中存在有序結(jié)構(gòu)最重要的應(yīng)用在于可以通過干擾這種大尺度結(jié)構(gòu)來控制湍流，從而形成具有不同頻譜的流場。本文的目的就是形成不同特性的流場，最終目標(biāo)是根據(jù)這些特性設(shè)計(jì)出效果好、耗能低的舒適性送風(fēng)裝置[5～6]。以常見的自由剪切湍流來說，主要是可以破壞或加強(qiáng)展向渦結(jié)構(gòu)，改變湍流的性質(zhì)，對于本文來說就是改變了流向上的速度時間序列，從而改變出風(fēng)的頻譜特性，模擬自然風(fēng)[7～8]。

綜上所述，本文希望通過對自由剪切流的研究，探究制造具有1/f紊動特性出風(fēng)的新方法，探究不同擾動條件對功率譜指數(shù)β的影響，為探究不同功率譜指數(shù)β出風(fēng)對人體舒適性影響提供穩(wěn)定的送風(fēng)源[9～11]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

圖1所示的整體系統(tǒng)圖簡明表示了整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的情況，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)風(fēng)模塊、整流模塊、控制模塊、測試模塊四大模塊組成：進(jìn)風(fēng)模塊主要是兩個配有變頻器的離心式風(fēng)機(jī)，每個風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量約為1500m3/h，變頻器用來變化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變出風(fēng)量，獲得不同的速度梯度；整流模塊是整個實(shí)驗(yàn)臺的主體部分，其作用是產(chǎn)生自由剪切流，為此設(shè)計(jì)了一個上下分隔的整流風(fēng)洞，整個風(fēng)洞分為擴(kuò)散段、均勻度、收縮段三部分，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)臺的出風(fēng)速度最大定在2.5m/s左右。其中出風(fēng)口的尺寸為0.4m× 0.25m，其中0.4m是風(fēng)洞兩個側(cè)板之間的距離，0.25m是單股平面平行流動的高度；擾動模塊的主要作用是破壞展向渦結(jié)構(gòu)，以改變流向上出風(fēng)的頻譜特性；測試模塊主要由熱線風(fēng)速儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)三部分構(gòu)成。

圖1 實(shí)驗(yàn)整體系統(tǒng)圖

本實(shí)驗(yàn)采用的熱線風(fēng)速儀是航華CTA-02A型多通道熱線風(fēng)速儀，熱線探針直徑5μm，長度1.5mm。探頭被安裝在一臺計(jì)算機(jī)控制的3維坐標(biāo)架上，其位移精度為0.05mm。實(shí)驗(yàn)前首先在不同風(fēng)速下標(biāo)定熱線風(fēng)速儀，得到風(fēng)速與電壓的對應(yīng)關(guān)系：

式中：v表示測點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；u表示熱線風(fēng)速儀的輸出電壓，V。

本文探究了三種改變流場特性的流動控制方法。第一種為被動控制方法，一個風(fēng)道流速保持不變，另一個流道可變流速，這樣通過改變速度比的方法在風(fēng)洞出口形成不同速度梯度的剪切層。第二種也為被動控制方法，在上下風(fēng)道風(fēng)速比不變的條件下，在流場出口加入不同的三角形鋸齒擾流片。鋸齒會形成流向渦擾動流場，擾流片長40cm，寬3cm。一共使用三組擾流片，尺間距分別為1cm、2cm、3cm，如圖3所示。第三種控制方法為主動開環(huán)控制，一組Arduino單板機(jī)發(fā)出指令給伺服電機(jī)，電機(jī)以不同頻率搖動矩形擾流片。擾流片長40cm，寬3cm，安裝在風(fēng)洞出口，如圖1所示，擾流片運(yùn)動振幅為5°。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺（單位：m）

圖3 主、被動擾動自由剪切流示意圖

整流風(fēng)洞搭建完成后進(jìn)行了風(fēng)洞出口流場均勻性的測量。結(jié)果顯示，在分隔鋁板上下15cm的范圍內(nèi)速度的平均值變化在5%以內(nèi)，最大湍流度在0.1左右，誤差屬于可接受范圍。

考慮風(fēng)洞的出風(fēng)速度不大，因此測點(diǎn)均勻布置在距離風(fēng)洞出口1m以內(nèi)，分別距離風(fēng)口10cm，30cm， 50cm，70cm，90cm處，這是測點(diǎn)在流向上的位置；在展向上，理論上速度場是均勻的，測點(diǎn)可以選取在流場內(nèi)的任意位置，實(shí)際上靠近邊界的部分可能受邊界條件影響，因此將測點(diǎn)選取在流動展向的正中央，距離左右側(cè)板分別20cm；在法向上，要保證測點(diǎn)在自由剪切流的混合層內(nèi)，自由剪切流的混合層厚度是隨著流動的發(fā)展而變化的[4]，但無論怎樣，兩股平面平行流動的交線始終在混合層內(nèi)，因此在法向上始終保持測點(diǎn)與分隔鋼板同一高度，保證測點(diǎn)始終在混合層內(nèi)。這樣就可以確定實(shí)驗(yàn)過程中熱線探針的三維坐標(biāo)位置了，其初始位置如圖4所示——距離風(fēng)口10cm、位于流動展向的正中央、與分割鋼板在同一高度，其中箭頭所指為熱線探針。

圖4 熱線探針初始位置示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中，熱線探針通過支架固定在三維坐標(biāo)架上，通過三維坐標(biāo)架控制程序來控制熱線探針的位置變化。在某種確定條件下，測點(diǎn)熱線探針位于初始位置時，對該點(diǎn)的風(fēng)速信號進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后，程序控制熱線探針移動到下一個測點(diǎn)——距離風(fēng)口30cm、位于流動展向的正中央、與分割鋼板在同一高度處，進(jìn)行該點(diǎn)處風(fēng)速時間序列的采樣，這樣依次進(jìn)行50cm、70cm、90cm處測點(diǎn)的風(fēng)速采樣，采樣完成之后，熱線探針重新回到初始位置，進(jìn)行下一種條件下各個測點(diǎn)的風(fēng)速采樣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，得到的是五個測點(diǎn)在既定采樣頻率下具有每組采樣數(shù)個數(shù)據(jù)風(fēng)速時間序列X(t)：

式中：N表示每組采樣數(shù)。

數(shù)據(jù)處理時首先對多組數(shù)據(jù)求平均值以減小相對誤差，然后把風(fēng)速時間序列中的每個元素減去平均值得到風(fēng)速波動值的時間序列。用傅里葉變換的方法把時域上速度波動的時間序列轉(zhuǎn)換為頻域上具有不同頻率和振幅的波動Y(f)：

式中：fs表示采樣頻率；N表示每組采樣數(shù)；an+bni是能表示第n個頻率對應(yīng)波動振幅及相位信息的復(fù)數(shù)。需要注意，根據(jù)采樣定理以fs的采樣頻率采樣時只能真實(shí)還原fs/2頻率以下波動。

相應(yīng)點(diǎn)的功率譜密度E可以表示為：

式中：n=0,1,2,…,N-1；X(n)表示風(fēng)速時間序列X(t)的快速傅里葉變換；△t表示采樣時間間隔，其隨f的變化情況即為所需的功率譜密度函數(shù)。

圖5是無擾動條件下，距離風(fēng)口10cm處速度頻譜分布圖。當(dāng)沒有速度梯度的時候，在各個頻率上的波動分量近似相同，低頻區(qū)的功率譜密度曲線近似水平直線。當(dāng)下流道速度減小，即速度梯度增大以后，低頻率的波動分量更加明顯，同時在功率譜密度曲線上表現(xiàn)出與無擾動機(jī)械風(fēng)完全不同的頻譜特性。隨著速度梯度的加大，其功率譜指數(shù)β逐漸增大。

圖5 無擾動條件下兩流道距離風(fēng)口100mm處速度頻譜分布圖

被動擾動的主要方法是通過在出風(fēng)口的隔板上安裝鋸齒狀的細(xì)長木條，使木條與隔板成45°，向高速一側(cè)傾斜，干擾兩股平面平行流動的混合過程，改變出風(fēng)的頻譜特性。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種不同長木條對流場的擾動效果基本是一樣的。圖6所示的是使用了間距為20mm的擾流片的結(jié)果（上流道2.4m/s，下流道1.2m/s）。被動擾動對流場最直接的影響就是加速了波動能量在低頻區(qū)的衰減速度，從而增大了低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β。由于鋸齒狀木條的存在加速了與低頻波動相對應(yīng)展向大渦的破碎，從而使風(fēng)速波動在低頻區(qū)表現(xiàn)出較快的衰減；但不同尺度鋸齒狀木條對流場的擾動沒有出現(xiàn)差異，應(yīng)該是因?yàn)椴煌叨鹊匿忼X對展現(xiàn)渦的破壞作用是相同的，并沒有發(fā)生預(yù)想差異。

圖6 距離風(fēng)口100mm風(fēng)速功率譜密度曲線

主動擾動是在出風(fēng)口的隔板上安裝細(xì)長的木條，木條以不同頻率擺動時各測點(diǎn)風(fēng)速特性的變化。圖7給出了木條以1Hz、3Hz、5Hz頻率擺動時測點(diǎn)風(fēng)速的低頻特性。從圖中可以看出，由于木條的周期性擺動使得測點(diǎn)的風(fēng)速波動出現(xiàn)明顯的周期性，并且風(fēng)速波動變化的頻率與木條的擺動頻率十分接近；在頻域上，木條擺動頻率附近的頻譜具有明顯的突起。因此，主動擾動給風(fēng)速特性帶來的最大變化是增強(qiáng)了風(fēng)速波動的規(guī)律性。在風(fēng)速的雙對數(shù)功率譜密度曲線上也能明顯地看去由于主動干擾木條的周期性擺動，使頻率在木條擺動頻率左右的波動能量明顯增加，這種能量分布變化最直接的結(jié)果就是引起低頻區(qū)功率譜指數(shù)β的變化，以1Hz的主動擾動為例：在沒有主動擾動的情況下，波動能量在1Hz左右已經(jīng)開始衰減，使功率譜密度曲線具有負(fù)斜率，出風(fēng)具有自然風(fēng)1/f的紊動特性；存在1Hz主動擾動的情況下，由于在1Hz上的波動能量增加，使得1Hz之前的功率譜密度曲線一直保持水平，波動能量的衰減主要發(fā)生在1Hz之后。這就意味著，某種頻率的主動擾動可以增加功率譜密度曲線上相應(yīng)頻率的能量，從而改變功率譜指數(shù)β，達(dá)到調(diào)控功率譜密度曲線斜率的目的。

需要說明，本文設(shè)計(jì)的三組主動擾動實(shí)驗(yàn)最終都減小了低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β或者說增大了波動能量開始衰減時的頻率，使出風(fēng)頻譜特性向著接近機(jī)械風(fēng)的方向發(fā)展，這是由于設(shè)計(jì)的擾動頻率均大于無擾動情況下波動能量開始衰減時的頻率，故擾動的存在相當(dāng)于減緩了能量的衰減速度，如果擾動頻率小于無擾動情況下波動能量開始衰減時的頻率，就會增加波動能量在較小頻率上的分量，相當(dāng)于加快能量的衰減速度，使低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β增大。

圖7 主動擾動風(fēng)速功率譜密度曲線

表1更全面地對各組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)對比，其中β1，β2，β3，β4，β5分別代表確定實(shí)驗(yàn)條件下10cm、30cm、50cm、70cm、90cm處測點(diǎn)風(fēng)速波動雙對數(shù)功率譜密度圖上的功率譜指數(shù)，A、B、C鋸齒的形狀如前所示。

綜合上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出下面幾個規(guī)律：

1）確定條件下的單組實(shí)驗(yàn)，在本文設(shè)計(jì)的測量范圍內(nèi)各測點(diǎn)風(fēng)速的波動特性基本相同，雙對數(shù)功率譜密度圖上的功率譜指數(shù)基本不發(fā)生變化；

2）無擾動機(jī)械風(fēng)在低頻區(qū)的功率譜密度曲線近似水平直線，屬于典型的白噪；

3）具有速度梯度的兩股平面平行流動混合時，在混合層中的測點(diǎn)風(fēng)速波動特性具有自然風(fēng)類似的性質(zhì)，并且功率譜指數(shù)的大小與速度梯度的大小有關(guān)，速度梯度越大，功率譜指數(shù)越大；

4）主動擾動可以使測點(diǎn)風(fēng)速波動出現(xiàn)明顯的周期性，改變波動能量在頻域上的分布，增加擾動頻率附近的波動能量，使波動能量衰減發(fā)生在擾動頻率之后，而在擾動頻率之前的功率譜密度曲線近似水平，具有與機(jī)械風(fēng)類似的特性；

5）被動擾動能夠加速了波動能量在低頻區(qū)的衰減速度，增大了低頻區(qū)的功率譜指數(shù)β，但就本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說，不同尺度的鋸齒擾動對測點(diǎn)風(fēng)速波動的影響是相同的，并沒有出現(xiàn)預(yù)想的差異。

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié)論與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在兩股速度不同的平行流所形成的自由剪切流混合層中，流向上的風(fēng)速的確具有與自然風(fēng)類似的1/f紊動特性，利用自由剪切流模擬自然風(fēng)的方案是可行的。自由剪切流中兩股平行流的速度梯度可以影響風(fēng)速信號在低頻區(qū)上的功率譜指數(shù)，速度梯度越大，功率譜指數(shù)越大，據(jù)此可以調(diào)節(jié)風(fēng)速信號在低頻區(qū)的功率譜指數(shù)；主動擾動（擺動性質(zhì)）會使功率譜指數(shù)出現(xiàn)分段特性，在小于擾動頻率的區(qū)間上表現(xiàn)白噪的特性，大于擾動頻率的區(qū)間上表現(xiàn)粉噪的特性；被動擾動（破壞展向渦）能夠加速波動能量在低頻區(qū)的衰減，增大功率譜指數(shù)，但不同尺度的破壞對功率譜指數(shù)的衰減速度沒有差異。

利用本文的研究結(jié)論，可以設(shè)計(jì)出基于自由剪切流的新型風(fēng)口，使風(fēng)口出風(fēng)具有與自然風(fēng)類似的頻譜特性，并通過上述三種方式調(diào)節(jié)出風(fēng)的頻譜特性，達(dá)到以低能耗方法制造仿自然風(fēng)，改善空調(diào)熱舒適性的目的。

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Expe rim e nta l Study of Influe nc e on Airflow Fluc tua tion Cha ra c te ris tic by Pe rturba tion a t Air Outle t

ZHANG Chuan1,DUANMU Lin2,GAO Nan3
1 Institution of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong University
2 Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
3 School of Aeronautics and Astronautics,Dalian University of Technology

This paper raises a new method to produce mechanical wind with 1/f fluctuation using free shear flow.By experimental results,in the mixing layer of free shear flow,velocity of flow direction has same fluctuation characteristic with natural wind in the frequency region sensitive to human sensation.It signifies the possibility of simulate natural wind with free shear flow.With change of velocity gradient,perturbation active and passive,power spectrum exponent varies.Such,it provides a new approach to produce“natural wind”with low energy consumption.

natural wind,free shear flow,power spectrum density

1003-0344（2014）06-006-5

2013-9-22

張川（1990～），男，碩士研究生；上海市閔行區(qū)東川路800號中意綠色能源樓208室（200240）；E-mail:liumengwuhen@sjtu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（No.51078052）