脉冲浮力射流的近场分岔机制及其在建筑通风中的应用潜力：一项实验研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Near-field bifurcation mechanisms of pulsed buoyant jets and application potential for building ventilation: An experimental study

通过实验室流动可视化实验研究脉动浮力射流的近场演化规律，发现斯特劳哈尔数（0.02-0.742）与格拉晓夫数平方根（253.4-874.2）共同调控涡旋动力学、羽流发展和近场混合特性。识别出三种流型（主射流、主射流伴不规则羽流、主射流分叉诱导次流），其中分叉流型在参数空间中存在窄带特性，揭示脉动-浮力耦合对近场扩散的调控机制，为建筑通风优化提供理论依据。

　　

郝宇|王川|王锡坤

中国扬州大学水利科学与工程学院，扬州225009

摘要

要提高建筑环境中的通风效果，就需要清楚地了解非稳态射流如何与周围空气混合。由于风扇的循环运行、需求控制的通风系统以及节能的流量调节，通常会产生脉动或周期性变化的射流。这种非稳态气流会产生复杂的近场行为，包括周期性加速、涡旋形成和瞬态分叉，这些行为与通风设计中传统使用的稳态射流模型的假设不同。因此，在脉动浮力射流条件下，控制近场混合和空间扩散的机制尚未得到充分研究，这限制了基于性能的室内空气分布优化。本研究通过受控的实验室流场可视化实验，研究了脉动浮力射流的近场演变及其对建筑通风的影响。分析表明，斯特劳哈尔数（St = 0.02–0.742）和格拉索夫数的平方根（Gr^1/2 = 253.4–874.2）共同调节了涡旋动态、羽流发展和近场混合特性。研究发现了三种不同的流动模式：模式I（主射流）、模式II（主射流伴有不规则羽流）和模式III（主射流伴有由分叉引起的次级流，显著扩大了有效混合和扩散区域）。模式III出现在St-Gr^1/2参数空间的一个狭窄线性区域内，表明通过适当的脉动-浮力耦合可以调节近场扩散行为。所得到的流动模式图为脉动浮力射流的行为提供了机制上的见解，并阐明了受控非稳态如何影响近场室内空气混合和空间扩散。

引言

实现有效且节能的通风对于维持大型建筑环境中的室内空气质量、稀释效果和热舒适度至关重要。随着现代建筑规模的扩大和功能的增强，空气分配越来越依赖于大容量的出风口来提供足够的气流并确保均匀覆盖[[1], [2], [3], [4]]。图1展示了一个大型建筑的出风口。这类出口的几何形状和排放特性强烈影响了初始射流的形成以及空间内的气流模式。然而，在实际应用中，许多通风系统并非在稳态下运行。风扇的循环运行、需求控制的通风、可变风量调节和节能控制策略常常会产生脉动或周期性变化的排放流[[5], [6], [7], [8]]。这些非稳态气流会产生具有时变动量和热特性的浮力射流。它们的近场演变受到排放动量、浮力作用和周围室内环境共同影响。与稳态射流相比，脉动浮力射流表现出更复杂的行为[[9], [10], [11], [12]]。经常会出现周期性加速、涡旋形成、剪切层变形以及羽流的拉伸或压缩。在某些条件下，还可能出现瞬态分叉。这些动态特征显著影响了污染物携带率、湍流生成和混合路径，从而影响占用区域内的污染物分布和通风效果[[13], [14], [15], [16]]。尽管脉动或准周期射流在实际通风系统中很常见，但其近场动态仍不够清楚。大多数现有研究集中在稳态浮力射流或机械驱动的通风流上。关于脉动浮力射流中涡旋演变、稀释行为和分叉的机制研究较少，尤其是在与建筑运行相关的条件下。推进这一理解对于开发预测模型、改进通风设计以及利用受控非稳态来优化室内空气分布非常重要[[17], [18], [19]]。

浮力射流动力学是流体力学中的一个基本课题，在许多建筑环境应用中处于核心地位，尤其是在涉及空气分配、通风优化和室内污染物稀释的情况下[[20], [21], [22]]。大量研究已经探讨了垂直浮力射流，其中对流主要由浮力驱动，记录了它们的流动结构和混合行为[[23], [24], [25]]。相比之下，水平浮力射流与横流、分层和边界有强烈的相互作用，导致更复杂的稀释行为和更广泛的工程意义[[26], [27]]。早期的研究，包括Morton等人的工作[[28]]，提供了关于水平浮力射流中对流和携带现象的基础描述。后续研究主要关注射流轨迹[[29]]、穿透深度[[30]]、湍流特性[[31]]和混合过程[[32]]，同时探讨了温度、盐度和表面波等环境因素的影响[[33], [34], [35], [36]]，以及关键的无量纲参数，如施密特数[[37]]、雷诺数和格拉索夫数[[38]]、弗劳德数[[39]], [40]]、理查森数[[41]]。然而，在非稳态或脉动条件下的预测性理解仍然有限，这限制了现有射流理论在现实通风场景中的适用性。提高这一理解对于准确描述近场混合以及开发支持高性能和节能建筑运行的通风策略至关重要。

除了上述主题外，还有一些研究探讨了水平浮力射流中的分叉现象。这种现象是一种重要的机制，可以增强携带效应和近场稀释效果。如图2所示，射流边界处的剪切力和浮力相互作用可以引发界面不稳定性，包括Kelvin-Helmholtz（K-H）和Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性。Kelvin-Helmholtz不稳定性由界面处的速度剪切驱动，放大微小扰动并导致涡旋结构的形成；而Rayleigh-Taylor不稳定性则源于不稳定密度分层下的浮力效应，形成垂直发展的流动结构。蓝色箭头表示由相应位置密度差异引起的流体运动方向。较密集的周围流体向下移动，而较轻的射流流体由于浮力作用上升。这些不稳定性驱动了从准层流到湍流的转变。在不稳定的分层区域内，可能会形成次级羽流和横向流动，形成扩展混合和扩散区域的分叉射流结构。实验研究表明，在某些雷诺数和格拉索夫数范围内会发生这种分叉[[38],[41],[42]]。这些发现表明，分叉起源于内部羽流形成和边界层失稳的耦合。然而，其关键的无量纲参数和起始条件仍不清楚，特别是在与环境相关的流动条件下。明确这些条件对于将分叉动态与建筑通风系统中的近场混合预测联系起来非常重要。

以往的研究主要集中在稳态流动条件下的水平浮力射流，而针对非连续或脉动排放的研究仍然有限。与连续射流相比，脉动排放可以增强携带效应和混合效率[[43], [44]]。然而，大多数现有工作集中在冲击射流配置上[[45], [46], [47]]，很少有研究关注浮力出口的脉动行为。例如，Eroglu等人[[30]]使用平面激光诱导荧光技术表明，在最佳脉动频率下，间歇性射流在横流中的穿透能力更强；Sau等人[[48]]建立了垂直脉动射流的冲程长度与速度比之间的关系。这些研究表明，引入脉动会显著改变排放行为，并显著影响近场混合和扩散特性。

因此，本研究旨在阐明脉动水平浮力射流的流场结构和演变特性。通过流场可视化实验和理论分析，研究了涡旋的形成和演变、射流分叉的起始和发展，以及斯特劳哈尔数（St）和格拉索夫数（Gr）对近场流动结构的影响。这些研究解决了目前对脉动浮力射流机制理解的不足，特别是关于非稳态激励和浮力如何相互作用以塑造混合行为的问题。研究结果有望加深对脉动诱导流动机制的理解，并为在通风设计中有效利用脉动射流提供基于参数的指导。通过将流动结构与近场混合特性和扩散行为联系起来，这项工作为利用受控非稳态来改善大型建筑环境中的室内空气分布提供了物理基础。

实验装置和程序

图3展示了用于产生与建筑通风条件相关的脉动浮力射流的实验装置和配置。如图3a所示，该装置主要包括水箱、变速潜水泵、硅胶管、流量计、脉冲电磁阀、高速摄像机（HiSpec.5）和辅助照明。实验期间，环境温度保持在29°C，偏差在±1°C以内，以确保热稳定性。

脉动水平浮力射流中涡旋结构的演变机制

如图5所示，脉动水平浮力射流的流动结构演变与其连续流动形式存在某些差异。图中展示了三个代表性的例子。在图5a中，连续射流的外边界由于射流与周围静止流体之间的强烈剪切作用而形成了Kelvin-Helmholtz（K-H）结构；在内边界，剪切力和浮力的相互作用产生了K-H和

结论

总结来说，本研究通过系统的流场可视化实验，研究了斯特劳哈尔数（St = 0.02–0.742）和格拉索夫数的平方根（Gr^1/2 = 253.4–874.2）如何调节脉动水平浮力射流的流动行为。研究阐明了涡旋的演变、分叉的起始以及流动模式的参数依赖性，为在建筑通风中应用脉动诱导的混合效应提供了机制基础。主要结论如下：

• (1)

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（51979240）和公青科技研究院开放研究基金的资助；以及江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_3987）的支持。

CRediT作者贡献声明

郝宇：撰写——原始草稿，实验研究。王川：实验研究，资金获取。王锡坤：实验研究。