不同射流間距下非定常條縫雙射流的數(shù)值模擬研究＊

張燦通，鞠鵬飛，2，王寶康，戴源鑌，李廣傲

（1.天津理工大學(xué)、機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津 300384；2.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

多風(fēng)口空氣調(diào)節(jié)設(shè)備在廠房、會(huì)議室及地下工程等大空間建筑中被廣泛應(yīng)用[1]。大空間建筑比普通居民樓房間更大，對(duì)于空調(diào)出風(fēng)的流速、室內(nèi)溫濕度和冷氣覆蓋程度有著更高的設(shè)計(jì)難度，如何利用多風(fēng)口特性對(duì)被調(diào)節(jié)空間進(jìn)行符合人體舒適性要求的設(shè)計(jì)成為大空間建筑空氣調(diào)節(jié)的研究熱點(diǎn)之一。空調(diào)出風(fēng)口吹出的冷氣屬于非等溫湍流射流，在研究空調(diào)射流對(duì)室內(nèi)流場的影響時(shí)，鮮沐希[2]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用分形理論研究空氣流場特性的可行性，并得到空調(diào)送風(fēng)射流的湍流強(qiáng)度隨著分形維數(shù)的增大而增大，冷氣團(tuán)卷吸周圍介質(zhì)的能力也在增強(qiáng)。宋高舉[3]通過可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)12 種空調(diào)典型送風(fēng)口的射流流型進(jìn)行了研究，得出對(duì)于非等溫射流，其紊流系數(shù)隨射流出口阿基米德數(shù)的絕對(duì)值的增大而減小。以上均對(duì)單射流的空調(diào)出風(fēng)進(jìn)行了研究，而多射流在室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)中的研究尚少，但在射流強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域和流化床領(lǐng)域是一個(gè)研究熱點(diǎn)。在雙射流相互影響特性的研究中，洪若瑜等[4]通過數(shù)值模擬對(duì)二維氣固流化床進(jìn)行了雙射流研究，發(fā)現(xiàn)雙射流的相互作用可分為3 種，即孤立射流、過渡射流和互作用射流，并提出了相應(yīng)的射流間距判據(jù)。耿麗萍等[5-6]通過PⅠV 流場測試系統(tǒng)進(jìn)行了周期性變化及多噴嘴的湍流射流沖擊平板實(shí)驗(yàn)，周期性湍流采用的是質(zhì)量流量控制的正弦和矩形變化的射流，研究發(fā)現(xiàn)了2 種周期性射流沖擊傳熱性能有很大差異，矩形沖擊射流的傳熱性能優(yōu)于正弦沖擊射流。從文獻(xiàn)[4-6]可知，對(duì)多射流設(shè)置不同射流間距和使射流以非定常出風(fēng)都可改變流場特性并強(qiáng)化傳熱，提高射流與周圍流體的摻混效果。因此，本文以等頻率等物理時(shí)間的非定常雙射流為例，研究不同射流間距下非定常雙射流對(duì)室內(nèi)流場的影響。

1 物理模型

本文的物理模型為不考慮上下空間帶來流量補(bǔ)充的近壁面空調(diào)射流，并簡化為忽略重力場作用的二維空氣射流平面。雙射流出口的長度根據(jù)大空間建筑空調(diào)室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口的長度而得，典型空調(diào)室內(nèi)機(jī)的出風(fēng)口長寬比在10 左右，因此可以認(rèn)為空調(diào)出風(fēng)的射流為條縫射流[3]，在模型內(nèi)將出風(fēng)口簡化為長度為0.4 m 的直線。根據(jù)射流分段可知，射流流向長度為25～100倍的風(fēng)口直徑時(shí)（對(duì)于條縫形風(fēng)口指風(fēng)口的長度），射流能達(dá)到充分發(fā)展的紊流段[3]，為使空調(diào)射流在流場中充分發(fā)展，將流場長度設(shè)置為射流出口寬度的25 倍，流場寬度設(shè)置為射流出口寬度的20 倍，因此模型的尺寸為10 m（長）×8 m（寬）。流場物理模型如圖1 所示。雙射流速度場入口為一個(gè)同相位周期性振蕩的正弦波，射流流速v隨時(shí)間t的變化如圖1（b）所示。

圖1 流場物理模型

為使非定常雙射流能夠在流場內(nèi)充分發(fā)展，計(jì)算的物理時(shí)間取t=50 s，出風(fēng)頻率為0.1 Hz。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，當(dāng)出風(fēng)口特征長度為D時(shí)，雙射流的相互作用可分為3 類：①當(dāng)射流間距較大時(shí)（大于10D），射流不相互作用，稱為孤立射流；②當(dāng)射流間距中等時(shí)（3.5D～10.0D），射流表現(xiàn)出較弱的相互作用，稱為過渡射流；③當(dāng)射流間距很小時(shí)（0～3.5D），2 個(gè)射流很容易在噴嘴上方合并，形成一個(gè)更大的射流，稱互作用射流。為了使雙射流間距對(duì)雙射流流動(dòng)的影響更加明顯，因此本文中將射流間距L設(shè)置為L1=1D、L2=2D、L3=5D、L4=10D。

2 數(shù)值方法

本文采用ANSYS Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，所采用的控制方程為雷諾平均納維- 斯托克斯（Raynold-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程組，為非定常計(jì)算。所有模擬初場均為速度0 m/s、壓力101 325 Pa、溫度30 ℃的均勻初場。本次數(shù)值模擬采用的湍流模型為k-epsilon RNG 模型。

在出風(fēng)口位置采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)氣溫度為20 ℃。出風(fēng)口位置采用壓力出口邊界條件，壓力為101 325 Pa。其他位置均為無滑移壁面邊界條件，所有壁面均為絕熱。

計(jì)算網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由ANSYS Workbench中的Meshing 生成，并對(duì)送風(fēng)口的射流流道進(jìn)行了加密。網(wǎng)格分布如圖2 所示。

圖2 模型的網(wǎng)格剖面

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場分析

流場的平均溫度測量采用基于質(zhì)量平均的測量方式，流場平均溫度隨時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同射流間距的流場降溫規(guī)律是相似的，呈波動(dòng)型下降趨勢，這是由于射流出風(fēng)為周期性變化所致。

圖3 溫度場分析

測量點(diǎn)分布如圖4 所示，測量得到在物理時(shí)間為50 s 時(shí)流場內(nèi)的各點(diǎn)溫度，結(jié)合該時(shí)刻流場的平均溫度，進(jìn)行溫度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算[7]：

圖4 測量點(diǎn)分布

式（1）中：n為測量點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ti為測量點(diǎn)溫度，℃；為流場的平均溫度，℃。

標(biāo)準(zhǔn)差可以反映樣本數(shù)據(jù)的偏離程度[7]，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流間距為1D時(shí)，溫度標(biāo)準(zhǔn)差較大，流場內(nèi)的溫度分布相對(duì)不均勻；當(dāng)射流間距大于2D時(shí)，不同射流間距的流場溫度標(biāo)準(zhǔn)差均較小，溫度分布相對(duì)更加均勻。4 種射流間距在物理時(shí)間為50 s 時(shí)的溫度場云圖如圖5 所示。當(dāng)射流間距為1D時(shí)，流場內(nèi)形成明顯的低溫射流，冷氣在流向方向分布較為集中；對(duì)于射流間距大于1D的流場內(nèi)并無形成明顯射流，雙射流在相互作用下使得冷氣與周圍流體摻混的作用增強(qiáng)，冷氣在流場內(nèi)的分布變得更加均勻。

圖5 溫度場云圖（t=50 s）

3.2 速度場分析

流場的速度分布對(duì)于室內(nèi)污染物擴(kuò)散有著重要的參考作用。流場內(nèi)的速度場矢量圖如圖6 所示。當(dāng)射流間距為1D時(shí)，流場在射流流向方向的速度比射流兩側(cè)的速度較大；當(dāng)射流間距為2D和5D時(shí)，射流在出風(fēng)口兩側(cè)形成對(duì)稱的渦流，渦流不斷卷吸周圍流體并逐漸向兩側(cè)壁面靠近，使得空調(diào)射流與兩側(cè)流體摻混強(qiáng)烈，速度分布相比射流間距為1D時(shí)更加均勻；當(dāng)射流間距為10D時(shí)，流場的速度分布出現(xiàn)不對(duì)稱性，渦流的大小不等且位置不再有對(duì)稱性。

圖6 速度場矢量圖（t=50 s）

4 結(jié)論

在非定常送風(fēng)條件下，射流間距對(duì)室內(nèi)流場會(huì)產(chǎn)生明顯影響，不同射流間距對(duì)流場的影響不同。對(duì)于平面射流，當(dāng)射流間距為1D時(shí)，雙射流會(huì)形成更大的射流，使得平面流場內(nèi)溫度和速度的分布在流向方向集中。當(dāng)射流間距大于1D且小于10D時(shí)，雙射流的相互作用隨著射流間距增大而增大，流場的溫度和速度分布比射流間距為1D時(shí)的更加均勻，冷氣與周圍流體的摻混作用更強(qiáng)烈。在多出風(fēng)口空氣調(diào)節(jié)中，適當(dāng)改變出風(fēng)口間距可以改善室內(nèi)的溫度和速度分布，避免冷氣集中。