实验和数值分析：用于冷却的分层通风系统中的送风射流

《Building and Environment》：Experimental and numerical analysis of supply air jet in stratum ventilation for cooling

本研究通过实验和数值模拟分析送风速度与温差对分层通风系统喷射长度和下落距离的影响，建立预测模型。结果表明喷射长度与送风速度正相关，而下落距离受惯性力与热浮力共同作用。模型验证良好（MAE分别为0.14m和0.13m），并提出设计准则确保气流到达呼吸区（z_t<0.4m，Ar<0.002）并优化能耗。

　　

成勇|谢玉龙|王瑞|李腾|田雪

重庆大学土木工程学院，中国重庆

摘要

分层通风（SV）通过直接向呼吸区提供凉爽、干净的空气来提高冷却效率和吸入空气质量，因此需要合理的送风射流设计。本研究引入了射流长度（x_t）和下降距离（z_t）来表征冷却模式下的送风射流。实验和数值方法被用来分析送风速度（V_s）和温差（T_r-T_s）对x_t和z_t的影响。利用包含四个实验案例和六十五个模拟案例的数据集来开发和验证x_t和z_t的预测模型。然后应用这些模型来设计针对呼吸区的送风参数。结果表明x_t与V_s之间存在正相关，说明x_t主要受空气动量控制。送风速度（V_s）和温差（T_r-T_s）显著影响z_t，表明z_t是由惯性力和热浮力的共同作用决定的。所开发的预测模型具有较好的可靠性，x_t和z_t的平均绝对误差分别为0.14米和0.13米。如果知道人员位置，可以通过调整x_t预测模型中的v_t来确定适当的V_s。为了确保送风射流位于胸部和头部之间，z_t需要低于0.4米，相应的阿基米德数（Ar）小于0.002。对于典型的T_r-T_s为5.0°C的情况，适当的V_s至少需要为2.3米/秒。这些发现为设计冷却模式下的SV系统提供了宝贵的见解。

引言

改善有人区域的环境质量受到了广泛关注，因为人们大部分时间都在室内[1,2]。空气分布对于确保居住者的热舒适度和吸入空气质量至关重要[3,4]。可持续发展要求建筑物具备既能满足健康需求又能提供舒适度的节能冷却和加热技术[5,6]。在这种情况下，提出了许多先进的空气分布方式，显示出改进的性能[[7], [8], [9]]。因此，了解它们的气流特性对于提高个人生活质量和实现更大的经济效益至关重要。

分层通风（SV）是为了应对室内温度设定点升高所带来的挑战而开发的[8]。SV的送风终端通常安装在略高于居住者头部的侧壁上，从而可以直接将干净的空气输送到呼吸区。SV中的送风射流具有非等温自由射流的特点。最初，由于初始动量的作用，送风从终端水平方向排出并通过呼吸区。随后，在与周围空气交换热量的过程中逐渐下降，导致温度逐渐升高。因此，在SV调节的房间中，空气速度和温度在垂直和水平方向上的分布是不均匀的[11,12]。这些分布形成了一个“三明治”模式，其特征是在头部位置速度最高、温度最低[13]。随着高度的增加，空气速度先增加后减小，而空气温度则表现出相反的趋势。在头部高度为1.1米时，湍流强度在30%到70%之间，表明呼吸区内有强烈的气流波动[13]。在冷却模式下，SV下的呼吸区保持相对较低的温度，由于射流与室内空气之间的热交换，在0.6到1.4米的高度范围内形成了明显的温度梯度[14]。这种逆温度梯度符合人类的热舒适要求[15]。

SV独特的气流模式使其能够在温暖的室内环境中提供可接受的热舒适度[16,17]。这种配置通过向头部和胸部区域提供更强的冷却效果来提高个人冷却效率[13,18]。主观实验结果显示，SV下的热中性温度高于混合通风（MV）和置换通风（DV）下的温度[19]。头部位置的空气流动增强通过补偿相同送风流量下的较高空气温度来提高热舒适度。这一发现与ASHRAE现场研究数据库中的趋势一致[[20], [21], [22]]。关于室内空气质量，SV增加了有人区域内的空气速度，并实现了较低的空气年龄，使送风射流能够迅速清除呼吸区内的污染物[23,24]。数值分析表明，SV对于小于10微米的细颗粒物的去除率超过了50%[25]。一个案例研究进一步证实了SV能够有效维持定向气流模式[26]。水平气流促进了咳嗽事件后的颗粒沉积，从而减少了室内颗粒浓度[27]。此外，SV是一种节能的空气分布方法。与MV相比，使用SV时二氧化碳排放量减少了31.71%[28]。在香港的办公室、教室和零售店等典型配置中，SV比MV和DV表现出更好的全年节能效果[29]。

以往与SV相关的研究通常评估其在特定操作条件下的气流特性或性能，而对送风射流的定量和设计导向的描述仍然有限。根据SV的气流模式，房间可以被划分为射流区、卷吸区和混合区[30]。在混合区，低速时的射流行为难以表征，表明送风射流在有人区域内的渗透有限。渗透不足可能导致远离送风终端的居住者冷却不足，从而引起因过热而产生的不适。相反，过大的送风动量可能导致因空气流动增强和能耗增加而引起的不适。仔细控制冷射流的垂直偏转也非常重要。较大的偏转角度会阻止冷空气到达头部位置，从而降低能源效率、热舒适度和吸入空气质量。对于旨在直接向呼吸区输送新鲜空气的SV系统来说，射流渗透和垂直偏转之间的平衡至关重要。

本研究使用实验和数值分析研究了SV中送风射流的特性。在广泛的送风速度和温度范围内引入并量化了水平射流长度和垂直下降距离。建立了一个包含四个实验案例和六十五个模拟案例的数据集来开发和验证送风射流的预测模型。本研究开发的预测模型能够将气流行为转化为针对呼吸区的定向送风的可操作设计标准。这些发现可以为设计和应用冷却模式下的SV提供宝贵的见解。

方法论

引入了射流长度（x_t）和下降距离（z_t）来表征SV的送风射流。本研究采用了全尺寸实验和数值模拟相结合的方法。首先进行实验以研究SV的空气供应特性，并分析送风参数对x_t和z_t的影响。其次，建立了一个经过验证的计算流体动力学模型，以将分析扩展到更广泛的操作条件范围。

空气供应特性的实验结果

根据最大速度和最低温度确定了送风射流的轴向速度和温度。相应地，确定了射流轨迹坐标、射流长度和下降距离，如图7所示。结果表明，SV下的速度和温度轨迹变化很小，趋势相似。射流遵循典型的向下抛物线路径，与冷自由射流的理论轨迹相符。

讨论与局限性

本研究研究了SV中送风射流的气流特性。引入的x_t和z_t不仅仅是几何描述符，而是综合指标，反映了在非等温条件下动量衰减、浮力和卷吸对射流轨迹的共同影响。V_s和x_t之间的强正相关反映了惯性力在维持水平射流渗透中的主导作用。送风速度（V_s）的增加增强了射流的初始动量。

结论

本研究引入了x_t和z_t的概念，以分析SV送风射流的几何特性。通过全尺寸实验和数值模拟，研究了V_s和T_r-T_s对x_t和z_t的影响。利用包含四个实验案例和六十五个模拟案例的数据集开发并验证了x_t和z_t的预测模型。基于这些模型，提出了一种SV的设计方法，以实现向呼吸区的定向送风。

CRediT作者贡献声明

成勇：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，方法论，概念化。谢玉龙：撰写——初稿，可视化，方法论，数据管理。王瑞：验证，监督，方法论。李腾：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法论。田雪：撰写——初稿，可视化，监督。