大空间竖向热羽流与横向冷射流的相互运动液态模型实验研究

3.0 牛悦 2025-01-09 11 4 6.59MB 100 页 15积分

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摘要

高大空间建筑分层空调普遍采用喷口侧送的气流组织形式，而目前该气流组

织形式的设计计算大多只是简单地套用半经验公式，这种方法忽略了室内热源形

成的热羽流对射流轨迹的影响，因此气流组织计算结果必有一定误差，从而会对

预期的室内空气分布及热舒适性造成一定的偏差。

本文在对竖向热羽流和横向冷射流相互运动初步认识和探索的基础上，以相

似理论为依据，设计搭建了用于模拟大空间建筑室内气流运动的液态模型实验台，

对大空间建筑中常见的竖向热羽流与横向冷射流的相互运动规律进行实验研究，

为科学合理地进行大空间分层空调喷口送风气流组织设计计算提供参考。

本文在相似理论的基础上，通过对气流运动控制方程组和液态流体运动控制

方程组的分析，结合几何相似、动力相似和运动相似分析，分析了气流运动和液

态流体运动的相似性，并推导得到液态模型实验的相似准则数为 Re、Ar 和Pr（Sc），

考虑到自模化现象和忽略次要因素，确定以 Ar 作为主要准则数，以此作为设计搭

建液态模型实验台的依据。

根据液态模型实验模拟原理和相似条件的要求，以大空间实验基地为原型设

计搭建了几何比例尺为 1：20 的液态模型实验台，完成了液态模型实验台的主体

设计，包括冷射流系统、热羽流系统、环境空间系统和测量控制系统的设计，以

及羽源注入口的设计和冷射流喷口的设计。借助速度比例尺 Cu解决了冷射流与热

羽流系统的相似同步性问题。液态模型实验台具有一定的开放性，为大空间实验

基地中的后续课题研究提供实验平台。

利用液态模型实验台对多股冷射流、多股热羽流及多股冷射流与多股热羽流

的相互运动进行实验研究，得到了不同工况下冷射流的速度分布及运动轨迹，实

验结果表明：单股冷射流及其在单股热羽流作用下的轴心轨迹理论值与实验值吻

合较好；在竖向热羽流作用下，横向冷射流的运动轨迹发生偏转，以初速为 8m/s

的单股冷射流为例，在 500W 和1000W 热源形成的单股热羽流作用下，其轴心轨

迹在作用点下游相距 6m 处分别上升了约 0.20m 和0.52m；受竖向热羽流的作用，

作用点下游附近冷射流的速度扩散范围变小，以初速为 5m/s 的单股冷射流为例，

在500W 热源形成的单股热羽流作用下，在作用点下游相距 2m 处的速度扩散范围

减小了约 12%；竖向热羽流与横向冷射流的作用点不同，冷射流运动轨迹和速度

扩散受到的干扰作用大小也不同，在冷射流初段，惯性力较强，不易受热羽流干

扰，而在冷射流末段，惯性力减弱，易受热羽流干扰；多股冷射流的叠加效应明

显，两股和三股初速为 5m 的冷射流叠加后，在 x=16m 处，其轴心轨迹分别上升

了约 0.91m 和1.48m，速度扩散范围分别增加了约 11%和19%。

通过对热羽流介质进行染色，观察不同强度的横向冷射流对竖向热羽流的作

用，实验结果表明：液态模拟可以较好的再现热羽流的发生、发展、运动过程；

热羽流与冷射流的相对强弱决定了二者相互作用的结果，以热源强度为 1000W 的

热羽流为例，在 v0=2m/s 的冷射流作用下，其运动轨迹虽然发生偏转，但是仍可保

持竖直方向上的运动趋势，在 v0=8m/s 的冷射流作用下，热羽流则完全融入冷射流

中，并与冷射流主流一起向前运动；多股竖向热羽流的叠加，可以增强热羽流的

运动趋势，其对冷射流的抬升作用也随之增强。

本文在实验测试及数据分析的基础上，分析了大空间建筑内两种不同属性气

流之间的相互作用，为科学合理的进行大空间分层空调喷口送风气流组织设计计

算提供参考。

关键词：热羽流冷射流相互运动液态模型相似理论

ABSTRACT

In large space buildings, lateral supplying air by jets is a common form of air

distribution for the stratified air conditioning. This form of air distribution is based on

semi-empirical formula, but the semi-empirical formula neglects the influence of the

thermal plume generated by heat source. Therefore air distribution calculation using this

method will have some errors, which will cause certain deviation to the prospective air

distribution and indoor thermal comfort.

This study is based on the similarity theory and the preliminary recognition of the

interaction between vertical thermal plume and horizontal cold jet. A liquid model

experiment table is established to simulate the air movement in large space buildings. A

liquid model experimental study method is used in this paper to research the interaction

between vertical thermal plume and horizontal cold jet. The purpose of this study is to

provide reference for scientific and rational air distribution calculation of the large space

buildings.

The theory foundation of this paper is similarity theory. The control equation

groups of air movement and liquid movement is analyzed, and the similarity of air

movement and liquid movement is proved according to the similarity of geometric,

dynamic and movement. Re, Ar and Pr (Sc) are deduced as the similar criterion

numbers of the liquid model experiment. Considering the self-simulating and secondary

factor, Ar is choosed as the main similar criterion number, and it is taken as the design

foundation of the liquid model experiment table.

On the basis of similar criterion and the principle of liquid model experiment, a

liquid model experiment table is established according to the large space experiment

center, and its geometric scale is 1:20. The design of liquid model experiment table

includes the cold jet part, the thermal plume part, the environmental space part and the

measurement and control part. The inlets of plume and jet are designed specially, and a

series of difficulties are solved, such as similarity coincidence of plume and jet parts.

This table has some openness, so it can provide an experiment platform for the

following study of the large space experiment.

Liquid model experiments are taken to simulate multiple thermal plumes, multiple

cold jets and the interaction between them, and the velocity distribution of cold jet is

obtained, which is under the action of different condion of vertical thermal plumes. The

experimental results show that, the trajectory of jet and the trajectory of jet under the

action of thermal plume for liquid simulation are almost coincided with the theoretical

values. Under the influence of vertical thermal plume, the downward trend of cold jet is

hindered, and it leads to the upward of its original trajectory. Takes single cold jet with

initial velocity of 8 m/s for instance, under the action of single thermal plume of 500W

and 1000W, its trajectory raise 0.20m and 0.52m respectively 6m away from the action

point. Under the influence of vertical thermal plume, velocity diffusion range of cold jet

becomes smaller after the action point. Takes single cold jet with initial velocity of 5

m/s for instance, under the action of single thermal plume of 500W, its velocity

diffusion range becomes smaller by 12% where is 2m away from the action point. The

degree of influence depends on the position of action point. In the initial section of cold

jet, inertial force is relatively strong, so it is not easier being influenced. In the terminal

section, inertial force becomes weak, so it is easier being influenced by thermal plume.

Superposition effect of the multiple cold jets is notable. When two and there cold jets

are superimposed, at the point of x=16m, trajectory raise 0.91m and 1.48m respectively,

and velocity diffusion range becomes smaller by 11% and 19% respectively.

The medium of the thermal plumes is dyed, so the action of horizontal cold jet to

vertical thermal plume can be observed, and the results shows that, liquid model

experiment can well recurrence the starting, developing and the movement of thermal

plume. The relative strength of the thermal plume and cold jet determines the interaction

results between them. Takes single thermal plume generated by heat source of 1000W

for instance, under the action of cold jet with initial velocity of 2 m/s, its trajectory

becomes bending, but it still keeps the upward trend. Under the action of cold jet with

initial velocity of 8 m/s, it involves into the jet completely. Superposition effect of the

multiple thermal plumes is also proved through the experiment, and multiple plumes

have relatively greater influence on cold jet because of the superposition effect.

Based on the experimental test and result analysis, the interaction between two

different types of airflow in large space buildings, it can provide reference for scientific

and rational air distribution calculation of the large space buildings.

Key Word：thermal plume，cold jet，interaction，liquid model

experiment，similarity theory

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 课题研究背景及意义 ........................................... 1

1.2 国内外研究动态 ............................................... 3

1.2.1 热羽流运动与冷射流运动研究现状........................... 3

1.2.2 液态模型实验研究现状..................................... 4

1.3 本文主要研究内容 ............................................. 7

1.3.1 液态模型实验流体介质的选择............................... 7

1.3.2 研究工作内容............................................. 7

第二章竖向热羽流与横向冷射流相互运动液态模型实验理论分析 ........... 9

2.1 引言 ......................................................... 9

2.2 相似理论与模型实验 .......................................... 10

2.2.1 相似三定理.............................................. 10

2.2.2 模型实验的实现.......................................... 11

2.2.3 模型实验的意义.......................................... 13

2.3 气流运动和液态流体运动的控制方程组 .......................... 13

2.3.1 气流运动的控制方程...................................... 13

2.3.2 液态流体运动的控制方程.................................. 14

2.4 热羽流与冷射流相互作用液态模型实验相似准则的导出 ............ 14

2.4.1 相似准则的导出方法...................................... 14

2.4.2 液态模型实验相似准则的导出.............................. 15

2.5 非等温气流运动与盐水运动的相似性分析 ........................ 18

2.5.1 热羽流运动与盐水运动的相似性分析........................ 18

2.5.2 冷射流运动与盐水运动的相似性分析........................ 18

2.5.3 利用盐水模型模拟热羽流与冷射流的相互运动................ 19

2.6 本章小结 .................................................... 20

第三章液态模型实验台的设计与搭建 .................................. 21

3.1 引言 ........................................................ 21

3.2 实验台的设计目标和要求 ...................................... 22

3.2.1 实验台的设计目标........................................ 22

3.2.2 实验台的设计要求........................................ 22

3.3 液态模型实验台设计方案 ...................................... 24

3.3.1 确定模型实验台相似比例尺及模型参数...................... 24

3.3.2 模型实验台总体设计方案.................................. 27

3.3.3 冷射流系统.............................................. 29

3.3.4 热羽流系统.............................................. 31

3.3.5 主环境空间.............................................. 33

3.3.6 模型实验台典型工况实验流程举例.......................... 34

3.4 实验台计量设备的修正 ........................................ 35

3.4.1 转子流量计介质性质的修正................................ 35

3.4.2 转子流量计修正举例...................................... 35

3.5 实验台技术难点及解决方案 .................................... 36

3.5.1 注入口装置的设计........................................ 36

3.5.2 主环境水箱非受限性和开放性设计.......................... 38

3.6 本章小结 .................................................... 40

第四章竖向热羽流与横向冷射流相互运动液态模型实验及分析 ............ 42

4.1 引言 ........................................................ 42

4.2 实验方案 .................................................... 42

4.2.1 实验目的................................................ 42

4.2.2 实验内容................................................ 42

4.2.3 实验工况................................................ 43

4.3 实验测试 .................................................... 44

4.3.1 测试仪器................................................ 44

4.3.2 测点布置方案............................................ 45

4.3.3 实验流程................................................ 46

4.4 测试结果及分析 .............................................. 47

4.4.1 单股冷射流的运动分析及实验验证.......................... 47

4.4.2 单股冷射流与单股热羽流相互运动分析及实验验证............ 50

4.4.3 单股冷射流与两股热羽流相互运动分析...................... 55

4.4.4 单股冷射流与三股热羽流相互运动分析...................... 59

4.4.5 两股冷射流的叠加运动分析................................ 62

4.4.6 三股冷射流的叠加运动分析................................ 63

4.4.7 两股冷射流叠加与两股热羽流相互运动分析.................. 65

4.4.8 单股热羽流的运动分析.................................... 67

4.4.9 单股热羽流与不同强度冷射流相互运动分析.................. 70

4.4.10 多股热羽流的叠加运动分析................................ 70

4.4.11 多股热羽流与不同强度冷射流相互运动分析.................. 73

4.5 实验台测量不确定度分析 ...................................... 74

4.5.1 实验装置的误差.......................................... 74

4.5.2 实验台测量的不确定度分析原理............................ 74

4.5.3 液态模型台测量不确定度分析.............................. 76

4.6 本章小结 .................................................... 77

第五章液态模型实验台主要问题探讨 .................................. 79

5.1 引言 ........................................................ 79

5.2 液态模型实验与空气模型实验的比较 ............................ 79

5.3 大空间建筑的液态模型实验 .................................... 80

5.4 液态模型实验主水箱的加固 .................................... 81

5.5 借助速度比例尺 Cu实现冷射流系统与热羽流系统相似同步性 ....... 82

5.6 液态模型通风源汇的处理 ...................................... 83

5.7 热羽流虚源点的修正 .......................................... 83

5.8 本章小结 .................................................... 86

第六章结论和展望 .................................................. 87

6.1 结论 ........................................................ 87

6.2 展望 ........................................................ 88

参考文献 ........................................................... 90

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 94

致谢 .............................................................. 95

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着人类社会的飞速发展，人民生活水平的提高，越来越多满足不同需求的

高大空间建筑被建造，成为人们工作和生活的重要场所，例如音乐厅、影剧院、

展览馆、体育馆、工业厂房、交通枢纽站等建筑。高大空间建筑在满足人类需求

的同时，也给建筑工程技术带来一系列难题，比如，在有舒适性要求的大空间建

筑内，空调气流组织设计一直是工程技术难点。由于流体的物理性质以及室内非

等温空气的运动规律，在高大空间建筑内普遍存在着空气温度分层现象[1]。而人员

活动区域大多在建筑的下部空间，只需满足人员居留区的舒适性即可，所以大空

间建筑在夏季采用分层空调环境既可以满足居留区舒适性要求，又可以降低空调

区冷负荷，从而减少建筑能耗。

目前高大空间建筑分层空调普遍采用喷口侧送的气流组织形式。由于缺乏大

空间分层空调气流组织的理论基础和实验测试条件，在实际工程中对于喷口侧送

的气流组织形式来说，大多只是简单地套用半经验射流公式进行喷口送风气流组

织计算，这种计算方法实际上忽略了很多其他因素，如室内热源的性质和位置等[2]。

而室内热源上方产生的热羽流是一种不容忽视的气流形式，特别是在人员较多，

设备发热量大的场所，简单套用半经验射流公式就无法考察热羽流的浮升力对射

流轨迹的影响，因此气流组织计算结果必有一定误差，而这部分误差是可以通过

研究热羽流与非等温射流的相互作用规律而减小的。

上海理工大学暖通研究所大空间课题组[2-5]在多种大空间建筑进行多次室内热

环境现场实测后发现，热源上方形成的热羽流运动会影响冷射流的下降运动，从

而影响冷射流的运动轨迹，使实际运行中喷口送风射流轨迹与气流组织设计计算

的射流轨迹产生偏差，导致空调系统提供的冷量无法准确地按照预期的设计方案

送达人员活动区，因此目前大空间建筑中分层空调喷口送风气流组织设计的准确

性值得商榷。

横向冷射流与竖向热羽流相互作用是喷口送风冷射流运动轨迹的重要影响因

素，从另一个角度来讲，也是影响建筑节能与舒适性的重要因素。节约空调系统

能耗一直都是研究非等温射流运动特性以及建筑空调系统气流组织形式的主要目

的之一，而且从目前研究成果看，科学合理的气流组织设计的节能潜力约在

19%-28%之间[2]。

要研究热羽流对冷射流的作用，首先要了解热羽流运动现象和规律。室内热

源附近空气与热源散热表面进行对流换热，空气吸热温度升高体积膨胀而密度变

大空间竖向热羽流与横向冷射流的相互运动液态模型实验研究

小，与周围空气产生密度差，因受到浮升力作用而竖向运动和扩散，在上升的过

程中不断卷吸周围空气，这样的一股气流就是热羽流[6]。热羽流广泛存在于各类建

筑内的热源（人员、发热设备等）的上方。如前所述，目前的实测研究已发现，

这种由热源形成的竖向热羽流运动对横向冷射流的干扰十分突出，尤其在热源发

热量大的空间（影剧院、体育馆、工厂车间等），冷射流无法按照设计要求送达人

员活动区域。

热羽流与冷射流的相互作用决定着室内空间的空气分布，从而影响着室内的

温度场和热分层现象。目前，研究室内空气分布（速度分布、温度分布）的主要

方法有射流公式计算、数学模型计算、CFD 数值模拟和模型实验[7]。其中，借助

于相似理论，利用模型实验对模型空间内气流分布进行实验研究，进而预测原型

空间的气流分布，这种研究方法不依赖经验理论，是预测室内空气分布最为可靠

的方法。根据采用流体介质的不同，模型实验又可分为空气模型实验和液态模型

实验。相对空气模型实验而言，液态模型实验方法有其独特的优势，特别是对于

利用一定浓度溶液产生的密度差来模拟空气中的非等温气流运动的情况。

液态模型实验研究方法是一种直观、成本低和环境友好的流体运动研究方法，

大多属于缩尺模拟实验。液态模型实验中可以直观地观察流体的运动状态，易于

实现流体运动的可视化研究，且在较小的缩尺模型实验中易于达到与原型相同的

Re 数（或 Gr 数），因为就流体的物理性质来说，空气的运动粘度系数约是水的 15

倍，而空气模型实验实验中实际上忽略了粘性的影响，所以严格上来讲空气模型

实验中的温度场与原型的温度场是不可能实现相似的[8,9]。另外，空调系统中的送

风气流多为非等温气流，在模型实验中的用水的流动来模拟非等温室内空气流动

状况，就热相似来说，由于水的热膨胀率在常温下约为 3×10-4 K-1，如果用在清水

中通过加热冷却水的方法，使之产生温差来模拟室内非等温气流的温差，进而模

拟室内非等温气流流动状况，这样的方法很难以达到要求，因此就需要求寻找一

种新的方法来模拟室内非等温气流的运动状态。液态模型实验利用模型空间内溶

液的浓度差来模拟非等温气流的密度差（温差），是一种理想的模拟实验方法。

本文在对热羽流和非等温射流相互运动初步认识和探索的基础上，以相似理

论为理论依据，设计搭建了用于大空间建筑室内空气分布模拟的液态模型实验台，

利用液态模型实验研究方法，对大空间建筑中常见的竖向热羽流与横向冷射流的

相互运动规律进行实验研究，其意义在于：

从相似理论和模型实验技术的角度，分析液态模型实验在室内空气组织研究

中应用的可行性，为研究竖向热羽流和横向冷射流的相互运动规律的液态模型实

验提供理论支持。对液态模型实验这一气流组织研究领域相对新型的实验技术的

第一章绪论

部分缺陷和问题进行分析，提出解决方案，为液态模型实验方法在室内气流组织

预测领域中的应用提供技术支持。

以相似理论为主要理论基础，以液态模型实验特别是盐水模型实验在室内气

流分布研究领域应用为参考，通过分析和解决技术难点，设计搭建大空间室内气

流分布液态模型实验台用以模拟竖向热羽流和横向冷射流的相互运动，并使之具

有一定的开放性，为大空间建筑室内气流分布的其他研究课题提供一个液态模拟

实验平台。

利用液态模型实验方法研究横向冷射流与竖向热羽流相互作用规律，为科学

合理地进行大空间建筑喷口送风气流组织计算和设计提供参考依据。通过合理地

进行气流组织设计可防止或减小热羽流对送风冷射流的干扰或破坏作用，使送风

射流顺利送达预定区域，一方面为实现室内热环境舒适性的设计要求提供理论基

础，另一方面，在保证人员工作区域舒适性的前提下，实现节约能耗的目的。

1.2 国内外研究动态

竖向热羽流与横向冷射流相互运动液态模型实验研究是基于现有的国内外送

风射流理论、热羽流理论研究以及相似理论和模型实验技术，特别是液态模型实

验技术等方面的研究而进行的，要顺利开展该课题，首先就必须充分了解和借鉴

该领域现有的研究成果。

1.2.1 热羽流运动与冷射流运动研究现状

传统的喷口送风气流组织设计是以自由射流理论[10]为基础的，有关射流的计

算方法广泛见于各空调设计手册。目前国内设计手册中射流计算方法主要有两个

体系[2]：以前苏联学者阿勃拉莫维奇为主的计算体系和以美国学者 Alfred Koestel

为主的计算体系。而后，一些学者又对倾斜射流进行了研究，在实验数据的基础

上提出了非等温倾斜射流计算公式，公式中系数各有不同。就目前来说，有关射

流的理论研究和实验研究已经相当成熟，其在室内空气分布预测领域内也一直是

一种主要的预测方法，但是这些成熟的理论均未考虑实际工程应用中室内热源产

生的竖向热羽流对射流轨迹的影响，直接套用这些射流公式势必会造成气流组织

计算的偏差。

热羽流是一种常见的对流现象[11]。从电子元件、发热设备和人体上方上升的

热空气，到火灾时上升的热烟流，以及工业烟囱中释放的烟羽流，热羽流以各种

可见或不可见的形式存在于自然环境中[12]。热羽流的研究始于对工业烟囱释放的

烟羽流在大气环境中扩散规律的探究，在经典羽流理论建立之前，Schmidt 在均匀

空气环境下对电加热网格产生的热羽流的温度分布进行了测试，温度测试结果显

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