空調系統中環形風口的送風特性研究

蘇凱 樊越勝 李哲然 臧子陽 白思卓

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

隨著經濟的飛速發展，帶動了整個建筑行業的發展，建筑的舒適性、節能性越來越受到更多人的重視。在一些商業高大空間，工業車間，辦公室隔間等特殊空間，人們往往需要固定姿勢長時間的工作，且工作環境可能是高溫或者低溫的環境，這對送風的舒適度提出了更高的要求[1]。

本文提出了一種新型環形送風口，其外觀為環形，出風口設置在環形空腔內沿上，工作時，氣流通過進風通道進入環形空腔，再由出風口狹縫射出，氣流在射出時會卷帶環形內空氣一起送出。本文通過CFD數值模擬，對環形風口的速度場，溫度場及卷吸規律進行研究，為環形風口的實際應用提供參考。

1 環形風口的數值模擬及實驗驗證

1.1 環形風口模型的建立

為得到正確的數值模型及模擬條件，建立無葉風扇原尺寸模型，通過儀器測量得到環形風腔的截面尺寸，環形出風口空腔截面如圖1 所示。

考慮到環形風口在空調系統中的使用及安裝，經過模型改良設計出環形風口頂送風模型如圖2 所示。

圖1 環形出風口空腔截面圖

圖2 環形風口頂送風模型

1.2 環形風口數值模擬

環形風口的網格處理主要采用CFD 前處理軟件Gambit 完成，在網格劃分時，針對各部分特征要求給與不同網格類型以不同的節點尺寸，結構較為復雜的區域采用非結構化網格，而結構相對規則且簡單的區域采用結構網格，將網格區域劃分為近場區與遠場區，能保證網格質量的同時減少網格數量以減少內存需求[2]。如圖3 所示。

圖3 網格近場區與遠場區劃分示意圖

1.3 邊界條件及湍流模型設定

本研究中選速度進口為進口邊界條件。以壓力出口為出口邊界條件。設定壁面為無滑移邊界條件?？贫鬟_面及風圈的接觸面均設置為壁面邊界條件。近場加密區及遠場區均通過interface 邊界進行信息交換。

環形流場中最高流速區域為出風口處，流速約為15 m/s，流動屬于不可壓縮流動。出風口處的雷諾數分別為15602.5，所以設定環形流場流動為湍流。

1.4 模型正確性驗證實驗

1.4.1 實驗儀器與測試方法

模型正確性驗證實驗，采用AKIRA 牌無葉風扇HA-AX200/SG 作為送風裝置，采用 Delta 牌HD-37AB1347 型熱風儀作為測量風速設備。實驗測點設置在環形風口上部、中部、下部，沿風口送風方向設置共計45 個測點。

1.4.2 實驗工況

根據無葉風扇風速檔位，分別設置了2 中不同風速的實驗工況。工況1：出風口速度=7.0 m/s。工況2：出風口速度=10.0 m/s。

1.4.3 實驗結果分析

將實驗結果與模擬結果通過Origin 軟件進行誤差分析并繪制在一張圖上，如圖4 及圖5 所示：

圖4 出口風速為7 m/s 時模擬與實驗結果對比

圖5 出口風速為10 m/s 時模擬與實驗結果對比圖

在兩種工況下將模擬結果與實驗數據對比可知，風速衰減趨勢和風速值的大小基本吻合，因而在進行其他模擬的研究時，可使用CFD 進行模擬計算。

2 環形射流流動性質研究

2.1 環形射流軸心速度衰減規律研究

在空調系統中，由于空調系統的噪音控制，因此空調系統中出風口的流速不宜過大。在本章及之后的研究中，取風口風速為2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s 為研究風速[3]。取2～6 m/s 的速度云圖（圖6）。

圖6 不同速度下環形風口流場模擬云圖

由圖6 可以看出，隨著風速逐漸增大，環形風的傳遞距離越來越大，流場區域逐漸增。流場在風口垂直方向上的分布，在出風口狹縫處風速較大，隨著距離增加，環形射流將逐漸匯聚為一股圓形射流繼續沿垂直方向射出。

將得到的模擬值，結合自由射流公式在Origin 上進行曲線擬合，通過擬合曲線參數得到曲線具體如圖7 所示：

圖7 出風口速度為4 m/s 時軸心速度擬合曲線

由圖7 分析得出：在0～0.3 m 范圍內，環形風口風速衰減十分迅速，在0.3～2.0 m 范圍內風速衰減較為平緩，在2.0 m 之后，風速衰減很慢。擬合曲線在0～0.3 m 范圍內有很好的相符性，在0.3m 之后擬合曲線略低于模擬曲線。

曲線擬合公式為：

式中：VX表示射程x 處斷面處軸心速度，m/s；V0表示射流出口速度，m/s；D0表示風口尺寸與紊流相關系數；X 表示計算斷面至風口的距離，m。

2.2 環形射流軸心溫度衰減規律研究

取風速范圍為2 m/s-6 m/s，送風溫差為7.2 ℃，得到溫度分布云圖（圖8）。

由圖8 可以看出：環形射流溫度場在送風口附近，在送風口狹縫處的溫度明顯高于環中心及環外。也可以看出溫度場與速度場具有一定相似性[4]。

將得到的模擬值，結合自由射流公式在Origin 上進行曲線擬合，通過擬合曲線參數得到曲線具體如圖9 所示：

圖8 風速為2～6 m/s 溫度場模擬云圖

圖9 出風口速度為4 m/s，送風溫差為7.2 ℃時軸心溫度擬合曲線

曲線擬合公式為：

式中：ΔTX表示射程x 斷面處軸心溫度差，℃；ΔT0表示射流出口溫度差，℃；D0表示風口尺寸與紊流相關系數；X 表示計算斷面至風口的距離，m。

2.4 環形射流卷吸量研究

2.4.1 環形射流卷吸量倍數

由圖10 可以看出，氣流在出風口狹縫附近的流速最高，氣流方向為出風口方向。在出風口外圍，有較少的氣流被帶入主氣流中向出風口方向流動。在環形出風口內側，有大量的氣流被帶入主氣流中，向環形風口方向射流。

圖10 環形風口射流速度矢量圖

根據模型的尺寸，R=110 mm，r=119 mm，得到環形風口的面積：S=6.88×10-3m2，c=1.225 kg/m3，通過質量流量計算公式Q=Svc，計算得到在不同截面上2～6 m/s 出風口速度下的質量流量分布曲線，具體如圖11所示：

圖11 質量流量分布曲線

由質量流量分布圖可以看出，質量流量在出風口附近最低，隨著出風口速度增加而增加，取4 m/s 時在距風口截面1 m 處的質量流量計算流量倍增倍數，將倍增倍數定義為K，得到K=0.64/0.0337=18.99 倍。

環形風口在送風速度為4 m/s 時，在出風口附近會卷吸入約19 倍的周圍空氣，空氣卷吸會使送風溫差衰減的很迅速，空調系統的處理風會很快的和周圍空氣混合，流場溫度分布在很短的距離內達到均勻，故環形風口適用于大溫差送風系統[5]。

3 結論及建議

通過以上研究，可得出如下結論：

1）環形風口的速度衰減在0～0.5 m 范圍內衰減迅速，在0.5～4 m 范圍內速度變化較小。環形氣流在距離風口0.65 m 處后會發生匯合。

2）環形風口的溫度場與速度場具有一定的相似性，軸心溫度在0～0.2 m 范圍內迅速下降，在0.2 m 之后溫度衰減緩慢，可以說明溫度場在0.2 m 之后迅速趨于均勻。

3）環形風口送風速度為4 m/s 時，在距環形風口1 m 處會卷吸入約19 倍的周圍空氣，使空調處理過的空氣在很短的距離內迅速的與周圍空氣混合，使得送風速度迅速衰減，在送風區域內不會造成吹風感。環形風口的溫度場在很短的距離內達到均勻，在空調系統中不會造成送風區域的局部過熱/過冷現象，環形風口結構簡單，造價低，性價比高，適用于大溫差送風系統。