新型喷口空气动力场的实验研究

1.1 喷口的应用现状

矩形和球型喷口在我国的高大空间建筑物中已经逐渐广泛应用。由于喷口射流具有一定刚性，射程远、流量大，采用喷口形式，可以减少空调区域空间的风管数量，还可以减少风口数量，方便室内装修，同样能保证较好的气流组织，由于高大空间采用喷口可设计成分层空调的形式，可以降低能耗，节约能源。故喷口广泛应用于展览馆、体育馆、剧院、演播厅和高大空间厂房等^[1，2]。

现阶段高大空间采用置换通风末端送风装置和喷口的形式都比较多，相对于置换通风，采用喷口的空调方式属于传统的混合式通风或稀释通风。

1.2 新型喷口的设计

新型喷口利用诱导的原理，在喷口内设置钝体，使得沿射流方向大量的室内空气与一次气流混合，从而提高了送风的冷却能力，相当于降低了送风温差，降低垂直方向温度梯度，使得受风区域温度更均匀，舒适性更高。

本文对不同锥角、不同高宽比喷口的钝体进行了速度场测量，并分析了不同钝体对空调效果的影响，对新型喷口中钝体的优化进行了研究。

2 实验方法与结果

2.1 实验装置

实验装置由风机、风管、矩形喷口以及钝体组成。其中矩形喷口尺寸为高×宽=160mm×120mm。风速测量使用小探头毕托管数字式测速仪测速度值，测速仪铭牌为：ZEPHR（DIGITAL MICROMANOMETEN）。

2.2 实验用钝体

实验用钝体如表1所示，本文分别运用了高宽比、锥角、粗糙度不同的六种钝体。对以上六种不同钝体，我们测出了六种钝体后的速度场分布，限于篇幅，速度场分布曲线和喷口中心线速度分布曲线略。

表1 实验用钝体

* 粗糙度“有、无”是指钝体上是否加锯齿型横条

3 分析与讨论

3.1 回流区特性

图1是实验用六种钝体后回流区边界及长度的对比图。

回流区边界可由流函数φ/φ₀=0的零流线确定。根据测得的钝体后不同断面的轴向速度分布，可由下式求出零流线在不同断面上的径向坐标^[4]：

(1)

式中，H为钝体高度；ρ为气流密度；w_x为测得的轴向速度；y1为零速度线（w_x=0）到x轴的半径距，y2为零流线（φ=0）到x轴的半径距。

a 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b
图1 各种钝体后回流区边界及长度对比图
a 高宽比>1 b 高宽比<1

由图1分析可以知道：

（1）钝体后回流区尺寸均随着钝体锥角a的增加而增大。这种变化是由于气流的动量在不同的钝体锥角a情况下，其轴向分量和径向分量之比不同所引起的。钝体锥角越大，则动量的径向分量越大，气流容易产生较大的偏折，促使回流区宽度增加，由于同样的原因，气流向轴线卷曲的能力也有所减弱，使两侧主流的汇合点后移，因而回流区也较长。

（2）钝体底边宽对回流区长度及宽度也有影响。

（3）阻塞率对回流区尺寸有一定影响。但为了减少流动阻力，可取为0，本次实验取为0。

（4）钝体增加粗糙度后，其后下游区将产生一个较大的旋涡回流区，此回流区长度及宽度大于原钝体产生的回流区，在钝体加粗糙度后的回流区边界内外出现有较大的速度梯度，有着较强的湍流混合，回流区尺寸的增大程度与来流情况及改进型钝体的结构有关。

总之，绕流脱体产生的反向压力梯度，从根本上促成了回流区的形成，而回流区长度L是表征回流区特征的重要数值，它也是影响热质交换的重要参数，同时L又是钝体结构和安装位置的函数。可以说，回流区尺寸特别是其长度L，对钝体结构的改进及安装位置的变动有着重要的指导作用。

3.2 回流率

空调（受风）区域被调节空气达到设计参数所需要的时间，取决于送风冷射流及受风区域热空气和建筑物壁面的辐射换热和冷热空气的对流换热。现有的研究表明，室内空气单靠冷热空气及壁面的辐射换热达到设计温度所需的时间比单靠回流换热至温度均匀的时间大一个数量级以上。可见，室内空气的换热主要靠冷热空气的回流热，工程范围内可以不考虑辐射换热。回流量越大，冷热空气热质交换越剧烈而更易于室内空气温度均匀。

在钝体后，由于存在反向压力梯度，尾部气流将向前部回流，回流的气体流量与喷口处主流的流量之比，称为回流率，回流率可看作回流强度的尺度。

回流区任意截面的回流量为^[4]：

（2）

式中，y1为w_x=0处的径向位置；w_x为回流气流的平均轴向速度。

主流流量为： （3）

故而，回流率为： （4）

由式（4）可知，求取回流率实际上就是测定回流区轴向速度的分布，根据速度分布求得Q_r，进而得Q_r/ Q₀ 。图2为根据实验中测得的回流区速度分布、回流轴向速度求得的回流率图。

（4）阻塞率对回流率有一定影响，为减少流动阻力，实验中取阻塞率为0。

a　　　　　　　　　　　　　　　　　 b
图2 不同钝体的回流率比较图

分析比较图2各条曲线，可得出如下结论：

（1）室内空气的回流量对钝体锥角的变化较敏感，随着锥角的增大，回流率增大。故而从室内空气回流利于冷热空气热质交换的角度而言，锥角大好。

（2）比较图2（a）中钝体1、2曲线和（b）中钝体3、4曲线，钝体表面加上垂直于来流方向的横条后，室内空气的回流量有明显的提高，而加上平行于来流方向的横条后，回流率变化不明显。至于加上垂直于来流方向的横条的多少、厚薄、布置位置，有待进一步探讨。

（3） 钝体底边宽对回流量有一定的影响。本次实验未作深入探讨。

（4）阻塞率对回流率有一定影响，为减少流动阻力，实验中取阻塞率为0。

3.3 射流速度的衰减

布置于高大空间的喷口，其射流要达到一定的射程，才能保证受风区域的空调效果，因此，气流到达受风区域尽端时应保持有一定的动量。那么，加装钝体后是否会造成过大的速度衰减而影响气流的动量呢？本次实验对此进行了研究。

有钝体时射流中心线（x轴线）速度较无钝体时小得多，射流刚性受到钝体影响；而对射流最大速度，有无钝体时变化不是很明显。大量研究表明：钝体后的主流速度具有自模特性，若结构布置合理则对刚性影响甚微。

钝体锥角a=90°时，速度衰减最快。a=60°的钝体后速度衰减并不比a=45°时大，这是由于加装钝体后，出口类似缩扩喷口，气流喷出时在此获得的加速程度不同。

在钝体上加装横条后，其主流速度衰减比无钝体时快，但差距不是很大。

4 结论与建议

本文对六种不同的钝体进行了冷态空气动力场的研究。综合考虑了钝体的变化对回流区、回流率、射流速度衰减的影响。这些变化对喷口都会产生巨大的影响。

随着锥角a的增大，其后回流区尺寸及回流率均有不同程度的增大。回流空气提供主要的热负荷，对室内换热起主要作用，室内空气回流技术是强化换热，稳定室内空气参数的一项重要措施。本文实验结果对于常见的圆盘散流器、斜片式散流器、活条式线形风口、置换送风风口的设计、选用都具有指导和借鉴意义。以上各种风口，根据不同的建筑条件可以考虑用锥角为不同的钝体。

增加钝体表面粗糙度，可以增大回流区长度，增大回流量，有利于增强湍流度，利于冷热空气的混合，对热质交换起积极作用。

本实验结果对于采用大温差低温送风的末端装置的设计也具有指导意义，相对于低温送风，室内热空气与送风气流温差较大，若在人员活动区域再进行充分的热交换，舒适度会下降，而采用钝体后，在钝体后2b长度左右，回流区尺寸及回流率均有较大（极大）值，相当于提高了送风温度，冷空气对人体的不适感觉下降，而且削弱了垂直方向的温度梯度。

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