對撞射流通風方式氣流形態模擬

鄭婷婷， 陳紅兵， 王聰聰， 王文謙， 李 璊， 梁寧康

(1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京100000；2.城市建設技術集團(浙江)有限公司，浙江杭州310000)

1 概述

對撞(也稱為碰撞)射流通風具有很強的混合作用，因此在地鐵、飛機等領域顯示出了獨特的優點。國外很多學者很早對這種通風方式開展了研究[1-2]，然而關于對撞射流的大部分研究均以時均流場為主。與時均流場不同，瞬時流場反映了氣流形態的不穩定性。

關于對撞射流氣流形態不穩定性的機理，在人居環境中研究得比較少。Li等人[3]對湍流射流噴頭進行了實驗研究，發現駐點偏移是對撞射流的主要狀態，并發現速度對駐點偏移有影響。Zhao等人[4]使用數值模擬方法研究3端口狹縫通風室內氣流結構，結果證明：送風速度、送風高度以及雷諾數對氣流具有抑制或促進作用。Zhao等人[5]分析了二維空腔混合對流的特性，發現了送風角對混合對流的振蕩具有影響。Besbes等人[6]采用了標準k-ε模型和二階模型對平面對撞射流進行了數值模擬，驗證了對撞射流受送風角的影響。Kandzia等人[7]的研究證明了人體熱羽流對氣流的穩定性也會產生一定影響。

綜上，對撞射流研究多采用實驗、數值模擬方法。由于計算流體力學(CFD)的模擬準確性比較理想，且時間成本、人工成本均比較低，因此采用CFD對室內氣流組織的研究不在少數[8]。對于CFD的模擬準確性，Hooff等人[9]進行了雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)方法與大渦模擬(LES)方法比較，發現LES方法的準確性更高。21世紀以來，模擬飛機艙和封閉環境通常采用LES方法進行研究[10]。因此，LES方法更適合分析對撞射流氣流形態。

Blay等人[11]進行了實驗和數值模擬，研究對象為湍流對流氣流在帶有加熱地面的方腔內噴射對撞。在Blay等人的實驗基礎上，本文采用大渦模擬(LES)方法模擬研究封閉方腔內對撞射流氣流形態，在出口高度、送風溫度、方腔內空氣初始溫度一定的前提下，分析送風速度、送風角度、地面溫度對對撞射流氣流形態的影響。

2 模擬方法

2.1 幾何模型

Blay等人設置了1個長×高×寬為1.04 m×1.04 m×0.30 m的方腔，方腔左上側開了高度為18 mm的狹縫作為空氣進口，在右下側開了高度為24 mm的狹縫作為空氣出口。Blay等人研究的方腔見圖1。分析面位于1/2寬度上，空氣進口溫度為15 ℃，方腔壁面溫度設置為15 ℃，地面溫度設置為35.5 ℃。

圖1 Blay等人研究的方腔

2.2 求解方法

流體為空氣，湍流模型選用LES。在基于有限體積法的空間離散格式上，為克服擴散，選擇二階迎風格式。瞬態公式選擇有界二階隱式。在網格精度合理的狀況下，選用Couple算法。不考慮壁面間輻射傳熱、導熱。時間步長設置為0.05 s。采用Ansys Fluent 19.0軟件求解。

2.3 網格劃分

計算域為整個方腔，由于LES方法需要采用比較細的網格，因此本文采用結構化網格。分別劃分3種數量的網格(見圖2)，網格數分別為23 012、92 771、364 023個。

圖2 3種網格數量的方腔

送風溫度為15 ℃，送風速度為0.57 m/s，送風角為0°。模擬分析面水平中心線(y=0.52 m)、豎直中心線(x=0.52 m)上的空氣溫度、流速，將模擬結果與Blay等人的實驗結果進行比較。當網格數為92 771個時，模擬結果與實驗結果吻合度比較好。因此，方腔模型的網格數采用92 771個。在接下來的算例中，方腔的網格數也采用92 771個。

3 案例設置

將Blay等人研究的方腔由單進、單出改為雙進、雙出(見圖3)。送風角為正、負時的空氣入射方向見圖3，空氣入射方向與x軸平行時送風角為0°。出口高度為24 mm，送風溫度為15 ℃，方腔內空氣初始溫度為15 ℃。按影響因素分為3類研究內容，對分析面的氣流形態進行模擬。

① 送風速度。送風角為0°，地面與壁面溫度均為15 ℃。在送風量一定的情況下，進口高度分別設定為18.0、12.0、8.0、5.3 mm，對應的送風速度分別為0.570、0.855、1.283、1.936 m/s。

② 送風角。進口高度為18.0 mm，送風速度為0.57 m/s，地面與壁面溫度均為15 ℃。送風角分別為20°、10°、0°、-10°、-20°。

③ 地面溫度。進口高度為18.0 mm，送風速度為0.57 m/s，送風角為0°，壁面溫度為15 ℃。地面溫度分別為15、25、35 ℃。

圖3 算例研究的方腔

4 模擬結果與分析

為便于分析，對流場內空氣流速進行歸一化處理：

式中U——歸一化流速

u——流場內空氣流速，m/s

uin——送風速度，m/s

4.1 送風速度

不同時間送風速度為0.570、0.855、1.283、1.936 m/s的流場見圖4。由圖4并結合4種送風速度的方腔流場視頻可知，送風角為0°、地面與壁面溫度一致、送風量一定時，與小進風口、大送風速度相比，大進風口、小送風速度下，射流對撞后的氣流影響范圍(高度方向上)更大，且影響范圍內的風速更低。因此，大進風口、小送風速度條件更適合室內送風。

圖4 不同時間送風速度為0.570、0.855、1.283、1.936 m/s的流場

4.2 送風角

不同時間送風角為20°、10°、0°、-10°、-20°的流場見圖5。由圖5并結合5種送風角的方腔流場視頻可知，送風量一定、地面與壁面溫度一致條件下，送風角為20°、10°時，隨著時間延續，氣流形態出現明顯混亂。對于送風角-20°、-10°、0°，送風角為0°時，氣流影響范圍大，射流碰撞后的匯流流速最高。送風角為-10°時，氣流影響范圍和匯流流速次之。送風角為-20°時，氣流影響范圍、匯流流速最小。

圖5 不同時間送風角為20°、10°、0°、-10°、-20°的流場

4.3 地面溫度

不同時間地面溫度為15、25、35 ℃的流場見圖6。由圖6并結合3種地面溫度的方腔流場視頻可知，送風量一定、送風角為0°、壁面溫度為15 ℃時，隨著地面溫度升高，射流碰撞后匯流作為方腔內氣流組織的主導地位被打破。地面溫度越高，方腔內氣流形態越混亂，變化越快。

圖6 3種地面溫度下方腔的瞬時流場

5 結論

① 送風速度的影響：送風角為0°、地面與壁面溫度一致、送風量一定時，與小進風口、大送風速度相比，大進風口、小送風速度下，射流對撞后的氣流影響范圍(高度方向上)更大，且影響范圍內的風速更低。大進風口、小送風速度條件更適合室內送風。

② 送風角度的影響：送風量一定、地面與壁面溫度一致條件下，送風角為20°、10°時，隨著時間延續，氣流形態出現明顯混亂。對于送風角-20°、-10°、0°，送風角為0°時，氣流影響范圍最大，射流碰撞后的匯流流速最高。送風角為-10°時，氣流影響范圍和匯流流速次之。送風角為-20°時，氣流影響范圍、匯流流速最小。

③ 地面溫度的影響：送風量一定、送風角為0°、壁面溫度為15 ℃時，隨著地面溫度升高，射流碰撞后匯流作為方腔內氣流組織的主導地位被打破。地面溫度越高，方腔內氣流形態越混亂，變化越快。