王重超 吳虎彪

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方形吸頂散流器平送風(fēng)射程的探討?

王重超1吳虎彪2

（1.航天智慧能源研究院/上海航天智慧能源技術(shù)有限公司 上海 201201； 2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海 200092）

分析了方形吸頂散流器送風(fēng)特點(diǎn)和射流特性，介紹了3種散流器射程的計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)分析了計(jì)算方法的可靠性。結(jié)果顯示，自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法，計(jì)算公式較為簡(jiǎn)單，計(jì)算誤差較小，在工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

方形散流器；射流射程；送風(fēng)特點(diǎn)；射程

0 引言

散流器是應(yīng)用最為廣泛的空調(diào)末端風(fēng)口之一，其射流特性是影響室內(nèi)氣流分布和空調(diào)系統(tǒng)效果的重要因素。雖然有部分學(xué)者對(duì)散流器的射流機(jī)理有過一些模擬和實(shí)驗(yàn)研究[1]，但是相關(guān)資料中針對(duì)其送風(fēng)特點(diǎn)和射流特性敘述不夠充分。射程是散流器最主要的參數(shù)之一，各種設(shè)計(jì)手冊(cè)和廠家樣本的數(shù)據(jù)差距較大，使得暖通工程師在設(shè)計(jì)或施工過程中常常無(wú)所適從。因此，對(duì)散流器射程的研究十分必要。

1 散流器平送風(fēng)射流特性和送風(fēng)特點(diǎn)

圖1 散流器出口角度較小時(shí)，平送風(fēng)射流示意圖

當(dāng)吸頂散流器的出流方向與頂棚所成的角度α較小時(shí)，射流卷吸受房間頂棚的限制，從而影響了射流邊界層的自由發(fā)展，射流半徑及速度亦不能按自由紊動(dòng)射流的規(guī)律發(fā)展，而是發(fā)展到一定程度后受頂棚的限制會(huì)漸變?yōu)橘N附射流。此時(shí)，吸頂散流器的射流即不是嚴(yán)格意義上的自由紊動(dòng)射流，也不是貼附射流，而是出口射流在經(jīng)過一段空氣卷吸之后逐漸形成貼附射流，其射流特性示意見圖1。

吸頂散流器一般安裝在頂棚使用，當(dāng)吸頂散流器的出流角度較小時(shí)，氣流從散流器出口射出，卷吸房間內(nèi)的空氣，由于受頂棚的影響，射流一側(cè)的卷吸空氣量有限，這樣就會(huì)在靠近頂棚處形成一個(gè)低壓渦流區(qū)，從而使射流的方向發(fā)生改變，在橫截面上主射流逐漸貼近頂棚。當(dāng)靠近頂棚一側(cè)沒有空氣卷吸時(shí)，則射流與頂棚碰撞，小部分氣流回到渦流區(qū)，大部分氣流貼附頂棚形成貼附射流。根據(jù)吸頂散流器射流的對(duì)稱性及其送風(fēng)特點(diǎn)，平送風(fēng)射流如圖2所示。

通過上述對(duì)吸頂散流器送風(fēng)特點(diǎn)的分析，吸頂散流器的送風(fēng)射流可以分為三個(gè)階段：自由射流段、發(fā)展段和貼附射流段。在發(fā)展段里，射流與頂棚相撞，且射流會(huì)逐漸變?yōu)橘N附射流。

圖2 吸頂散流器平送風(fēng)射流示意圖

2 散流器射程計(jì)算

2.1 方法1：散流器射流速度衰減方程式法

目前工程中最常用的散流器平送風(fēng)時(shí)射程的計(jì)算公式是P.J.杰克曼提出的。他指出散流器射流速度的衰減方程式為[1]：

式中，u為距散流器中心水平距離處的最大風(fēng)速，m/s；0為散流器的送風(fēng)速度，m/s；為送風(fēng)口常數(shù)，多層錐面型散流器為1.4；平盤式散流器為1.1；為散流器的有效面積，m2；0為自散流器中心算起到射流外觀原點(diǎn)的距離，對(duì)于多層錐面型為0.07m。

該公式被收錄到很多參考書和設(shè)計(jì)手冊(cè)中，是設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)選型中采用最多的公式。但是利用該公式得到的射程結(jié)果與很多廠家樣本數(shù)據(jù)存在較大差距。

2.2 方法2：自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法

前人對(duì)無(wú)限空間淹沒紊流射流的研究也較成熟。吸頂散流器射流的特點(diǎn)與沖擊射流存在相似性。沖擊射流可分成三個(gè)不同的流動(dòng)區(qū)域，即自由射流區(qū)、沖擊區(qū)、壁面射流區(qū)。在自由射流區(qū)，其流動(dòng)特性與自由射流相同；在沖擊區(qū)，射流經(jīng)歷了顯著的彎曲，產(chǎn)生很大的壓力梯度，在該區(qū)末幾乎變成平行于壁面的流動(dòng)，進(jìn)入壁面射流區(qū)[6]。壁面射流區(qū)也可認(rèn)為是貼附射流。散流器射流與沖擊射流都是氣流與壁面沖撞然后形成貼附射流。沖擊射流中沖擊高度已知，所以自由射流的長(zhǎng)度已知，在吸頂散流器送風(fēng)中，自由射流的長(zhǎng)度為未知數(shù)，與吸頂散流器的結(jié)構(gòu)和布置有關(guān)。但在沖擊點(diǎn)之后，兩種射流均形成了貼附射流。與沖擊射流相比，區(qū)別在于吸頂散流器是由于空氣卷吸形成的低壓作用而造成射流中流線的彎曲最終與壁面成一定的角度相撞擊，然后形成貼附射流。

圖3 自由射流

射流主體段軸心速度的衰減規(guī)律，經(jīng)典地表示為：

式中，u為由風(fēng)口到射流計(jì)算斷面距離為處的軸心速度，m/s；0為風(fēng)口的平均速度，m/s；為至計(jì)算斷面的距離，m。

由式（2）可見，當(dāng)風(fēng)口形式一定，除0為幾何尺寸外，0.48/為射流的衰減特性。設(shè)0.48，將0用風(fēng)口的出風(fēng)面積0表示，則：

式中，0為風(fēng)口幾何尺寸，m；0為風(fēng)口出風(fēng)面積，m2；為風(fēng)口的軸心衰減系數(shù)。

將貼附射流近似看作是無(wú)限空間自由紊動(dòng)射流的一半，即自由紊動(dòng)射流為兩個(gè)貼附射流在空間上的疊加，其出風(fēng)口面積為0，則其風(fēng)速衰減的計(jì)算式為

式中，1為特征系數(shù)[8]。

將散流器平射流的全程近似看作均是貼附射流，這樣就可以利用上述公式近似計(jì)算散流器的射程了。

2.3 方法3：沖擊射流模型理論計(jì)算法

將散流器平送風(fēng)射程分為從出口到?jīng)_擊點(diǎn)的距離x和貼附射流距離x。

圖4 吸頂散流器平送風(fēng)射流分析

根據(jù)吸頂散流器平送風(fēng)與沖擊射流的相似性，可以將沖擊射流的貼附段長(zhǎng)度計(jì)算方法應(yīng)用于散流器貼附段長(zhǎng)度計(jì)算中來(lái)。

前人對(duì)沖擊射流的研究表明，沖擊距離對(duì)沖擊點(diǎn)之后的軸心速度的衰減影響不大，可以忽略，且0/u與0成良好的線性關(guān)系。則有：

式中，2為貼附射流段擴(kuò)散系數(shù)；20為出風(fēng)口寬度；x為射流軸心速度距沖擊點(diǎn)的距離。

則射流貼附射流段氣流的射程為：

有學(xué)者研究表明，吸頂散流器出風(fēng)口安裝在距頂棚距離為的位置，射流以出流角度射出，射流出口的初速度為u。射流由于空氣卷吸作用發(fā)生彎曲，射流軸心軌跡近似半徑為的圓弧。射流在沖擊點(diǎn)處與頂棚撞擊，角度為。在沖擊過程中，根據(jù)質(zhì)量和動(dòng)量守恒，很小一部分空氣回到低壓渦流區(qū)，大部分氣流會(huì)在沖擊點(diǎn)之后形成貼附射流。其沖擊點(diǎn)之前的長(zhǎng)度為[9]：

則吸頂散流器送風(fēng)的射程為：

3 射程的驗(yàn)證

為驗(yàn)證散流器的射程，特設(shè)計(jì)了此實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所在的房間長(zhǎng)15m，寬10m，高6m，如圖5所示。散流器出風(fēng)口角度為39°。將散流器安裝于房間吊頂?shù)恼虚g，測(cè)試了不同工況下散流器的射程，同時(shí)比較了不同工況下射程實(shí)驗(yàn)值、方法2及由方法3計(jì)算獲得的計(jì)算值之間的差異。

圖5 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)景圖

圖6 靜壓箱形輔助段設(shè)計(jì)圖

圖7 散流器實(shí)驗(yàn)安裝圖

圖8為方形吸頂散流器喉部尺寸為240mm×240mm時(shí)射程與風(fēng)速關(guān)系曲線。如圖所示，沖擊射流模型理論計(jì)算值及自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法的計(jì)算值所獲得的射程與風(fēng)速均呈良好的線性關(guān)系，方法2和方法3計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)獲得的值能較好的相符合。由方法2自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法計(jì)算獲得的射程值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為9.17%；方法3沖擊射流模型理論方法3計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為3.10%。

圖8 尺寸為240mm時(shí)，射程與風(fēng)速關(guān)系曲線

圖9為喉部風(fēng)速為2m/s時(shí)，各不同規(guī)格方形吸頂散流器射程的實(shí)驗(yàn)值、方法3沖擊射流模型理論模型計(jì)算值及由方法2自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法計(jì)算獲得的計(jì)算值之間的比較。由方法2自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法計(jì)算獲得的射程值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為9.17%；模型理論計(jì)算值方法3與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為2.78%。

圖9 風(fēng)速為2m/s時(shí)，各風(fēng)口的射程值

4 結(jié)論

（1）沖擊射流模型可以很好地描述方形散流器平送風(fēng)射流特性。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同喉部風(fēng)速和不同規(guī)格的方形散流器，方法3沖擊射流模型理論模型計(jì)算法得到的計(jì)算結(jié)果均具有較高的準(zhǔn)確性，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值最大的誤差為3.10%。

（2）自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法在工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。方法2自由紊動(dòng)射流近似計(jì)算法得到的射程值與實(shí)驗(yàn)值的最大誤差為9.17%，也具有一定的可靠性，誤差在工程允許的范圍內(nèi)；同時(shí)計(jì)算公式較為簡(jiǎn)單，在工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 劉剛,吳春燕.方形散流器風(fēng)口速度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2003,29(6):27-29.

[2] 傅斌,李曉東.對(duì)方形散流器送風(fēng)口的數(shù)值描述方法及應(yīng)用[J].黑龍江商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2004, 20(2):162-166.

[3] 項(xiàng)琳琳,董濤.方形散流器氣流組織模擬研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2017,36(2):54-57.

[4] 由世俊,劉艷玲,史學(xué)增,等.熱力式散流器性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2000,28(9):54-56.

[5] 黃翔.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[6] 余常昭.紊動(dòng)射流[M].北京:高等教育出版社,1993.

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[8] 趙榮義,范存養(yǎng),薛殿華,等.空氣調(diào)節(jié)(第四版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[9] 吳虎彪,方形吸頂散流器平送風(fēng)等溫射流特性研究[D].上海:上海理工大學(xué),2011.

[10] JG/T 20—1999,空氣分布器性能實(shí)驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

Discussion on Throw of Square Ceiling Diffuser of Flat Air Supply

Wang Zhongchao1Wu Hubiao2

(1.Aerospace Smart Energy Institute/Shanghai Aerospace Smart Energy Technology Co., Ltd., Shanghai, 201201; 2.Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Shanghai, 200092)

The air supply characteristics and jet characteristics of the square ceiling diffuser were analyzed. 3 kinds of calculation methods on diffuser throw are introduced, and the reliability of the calculation method is analyzed by the experiment. The approximate calculation result shows that the free turbulent jet has a simple calculation formula and a small calculation error, which has a high engineering application value.

Square ceiling diffuser; Jet characteristics; Air supply characteristics; Throw

1671-6612（2019）01-074-6

TU831

A

王重超（1986.05-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：wangzc@aseri.com.cn

2018-04-13