低速曲面射流气流特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 5.3MB 77 页 15积分
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I
摘 要
置换通风和空调下送风具有节能和提高空气品质的优势，尤其在大空间建筑
中优势更为明显。圆柱形送风口多用于置换通风和下送风系统，国内对这种曲面
送风口研究较少，缺乏对风口有关气流特性的描述。对曲面风口送风特性，尤其
是沿程速度和温度变化规律的研究，对进一步指导置换通风和空调下送风气流组
织的设计具有重要的理论意义和现实意义。论文对半圆柱形送风口夏季送风气流
特性进行了理论建模和实验研究。
论文将低速曲面风口射流分为初始段和主体段，通过测定送风气流风速、温
度，分析低速曲面风口送风射流的初始段和主体段结构特性，如气流边界、初始
段长度、主体段气流高度，分析了不同风量、送风温差等因素对这些结构特性的
影响。实验结果表明，在实验条件下，初始段长度一般为 0.6m 到1m，主体段高
度一般在 0.18m-0.23m。论文同时分析得出了主体段低速曲面射流变化规律，包括
气流风速、温度垂直方向分布规律和沿气流运动方向变化规律。此外，还对两股
送风气流的叠加特性进行了实验研究。
针对单个风口低速曲面送风射流，建立了初始段运动模型、主体段温度模型，
修正了主体段速度分布模型。应用初始段运动模型得出了初始段长度，初始段末
端高度及气流平均风速计算式，初始段长度 a、气流初始段末端平均速度 ua理论
值和实验值标准偏差分别为 0.081m，0.041m/s；应用主体段温度模型，得出了分
层气流垂直方向上平均温度随射程的变化规律，利用此模型计算所得温度分布得
到了地板换热量计算式，用单个风口运行工况 CASE8、9、10 气流温度数据验证，
标准偏差分别为 1.08℃、0.684℃、0.314℃；利用实验结果对前人风速模型进行了
修正，使单位风量的最大风速计算偏差从 0.478m-2 降为 0.200m-2。利用初始段运动
模型和主体段温度模型对低速曲面风口进行了有关初始段结构参数、初始段和主
体段的温度、风速气流特性分析，得出不同参数如风量、风口高度、环境温度、
地板温度对气流特性影响。
本文通过理论建模和实验研究，得出了圆柱形风口低速曲面射流气流特性，
可以解决目前下送风和置换通风中有关低速曲面射流气流特性亟待解决的问题，
为置换通风及空调下送风气流组织设计提供一定的参考。
关键词：风口气流特性 大空间建筑 数学模型 实验验证 半圆柱状风
口 分层气流叠加
II
ABSTACT
The displacement ventilation (DV) and down-side air supply system (DSAS) have
the advantage of high indoor air quality and the potential of energy saving, especially in
large space building the advantage is magnitude, this view was well accepted in HVAC
field. Semi-cylinder diffusers are widely used in DV and DSAS system, there less
researches on this topic about experiment and theory analyze about the low speed curve
face jet in China. The researches get involved in getting the characteristics of the curve
face jet especially aimed at the distribution of the temperature and velocity of stratified
flow is vital to guidance the air distribution design in theoretical and practical aspect.
The paper investigated the characteristics of the semi-cylindrical diffuser by modeling
and experimental studies in summer.
The paper divided the stratified flow from the diffuser which attached on the floor
into two stages: initial stage and main stage, by measuring air flow velocity and
temperature to analyze the structural characteristics of air flow in main stage and initial
stage, such as the height of boundary, the length of initial stage and the thickness of
flow in main stage, the influence of different parameters as the air volume and air
supply temperature difference to the structural characteristics were analyzed. The
experimental results show that under experimental conditions, the initial stage length is
generally between 0.6m and 1m, the height of the main stage flow is generally
0.18m-0.23m. Paper also obtains the velocity and temperature changing rules of the
main stage, including the velocity and temperature distribution of stratified flow along
the direction of air movement. Inaddtion, the paper also studies the flow collision of air
flow by experiment.
The mathematic model about the flow movement of initial stage and the heat
exchange model of main stage were established according the low speed curve jet from
a single diffuser, refined the velocity distribution model of maximum speed in vertical
direction. The initial stage length a, the average velocity of the end of initial stage ua
and the height of flow in end of the initial stage where get form the velocity model of
initial stage, the standard deviation of experimental value the model result is a= 0.081m,
ua=0.041m/s. The average temperature of the layer flow Trvariation along the air
movement was investigated by the heat exchange model, the expression of the heat
exchange by using the distribution of Trin main stage, the experiment results shows the
III
standard deviation between the experiment and theory value of CASE 8, 9 ,10 is 1.08℃,
0.684℃, 0.314℃. The previous model was modified by experimental data, reduce the
standard deviation between the experiment and theory of the maximum velocity in
vertical direction from 0.478m-2 to 0.2m-2. The paper analyze the characteristics of low
velocity flow form a curve diffuser’s face, such as temperature and velocity of initial
and main stage, the strctutural parameters on initial stage by using the results of initial
stage air movement model and heat exchange model of main stage.
The low velocity curve jet characteristics was investigated by established
mathematic model and experiment analysis, the result will be helpful to guide air flow
organization design, especially offer some theory fundament for large space building, it
will be also helpful to some theory problems emergence in DV and DSAS.
Key words: characteristics of diffuser, large space building,
mathematic model, experimental verification, semi-cylinder diffuser,
stratification air-flow collision.
IV
目 录
摘 要
ABSTACT
第一章 绪论 .......................................................................................................... 1
§1.1 课题来源及意义 ...................................................................................... 1
§1.2 国内外研究现状 ...................................................................................... 3
§1.3 课题内容 .................................................................................................. 5
第二章 低速曲面送风气流特性实验方案设计 .................................................. 6
§2.1 实验目的与基本思路 .............................................................................. 6
§2.2 实验基地及送风系统概述 ...................................................................... 6
§2.2.1 实验基地概况 ...................................................................................... 7
§2.2.2 曲面低速实验送风系统简介 .............................................................. 8
§2.3 实验内容及实验工况 .............................................................................. 9
§2.4 实验测试方法及测点布置 .................................................................... 10
§2.4.1 曲面风口送风温度场与速度场测定 ................................................ 10
§2.4.2 送回风参数测量 ................................................................................ 12
§2.4.3 室内送风垂直温度的测定 ................................................................ 12
§2.4.4 地板温度测定 .................................................................................... 13
§2.5 本章小结 ................................................................................................ 14
第三章 送风气流速度温度特性实验分析 ........................................................ 15
§3.1 分层气流分段 ........................................................................................ 15
§3.2 气流分层现象 ........................................................................................ 16
§3.2.1 主体段冷气流分层 ............................................................................ 16
§3.2.2 分层气流边界高度分布 .................................................................... 18
§3.2.3 气流最大风速所在高度分布 ............................................................ 20
§3.3 初始段气流特性实验分析 .................................................................... 21
§3.3.1 初始段风速分布特性 ........................................................................ 21
§3.3.2 初始段特性参数 ................................................................................ 23
§3.3.3 初始段气流轨迹线 ............................................................................ 25
§3.3.4 初始段温度场分布特性 .................................................................... 26
§3.4 主体段气流特性实验分析 .................................................................... 28
§3.4.1 最大风速 um沿r变化 ....................................................................... 28
V
§3.4.2 气流主体段垂直方向上最低温度 .................................................... 30
§3.5 分层冷气流叠加 .................................................................................... 32
§3.5.1 相邻风口的冷气流叠加 .................................................................... 32
§3.5.2 风量对对称线叠加区的影响 .......................................................... 34
§3.5.3 中心线和对称线风速温度对比 ........................................................ 36
§3.5.4 中心线上叠加区特点 ........................................................................ 39
§3.6 小结 ........................................................................................................ 41
第四章 低速曲面射流模型建立验证及特性分析 ............................................ 42
§4.1 曲面送风气流速度分布模型的建立 .................................................... 42
§4.1.1 曲面送风初始段气流运动模型 ........................................................ 42
§4.1.2 曲面送风主体段风速经验式 ............................................................ 46
§4.2 曲面送风气流温度分布模型的建立 .................................................... 48
§4.3 低速曲面数学模型实验验证 ................................................................ 49
§4.3.1 曲面送风初始段模型实验验证 ........................................................ 50
§4.3.2 曲面送风主体段温度模型实验验证 ................................................ 51
§4.4 曲面送风主体段风速、温度经验式 .................................................... 53
§4.4.1 垂直风速分布对比 ............................................................................ 53
§4.4.2 主体段最大风速分布经验式验证 .................................................... 54
§4.4.3 气流主体段垂直方向温度分布 ........................................................ 55
§4.5 分层气流与地板换热分析 .................................................................... 58
§4.6 低速曲面浮力射流特性分析 ................................................................ 61
§4.5.1 初始段长度特性计算及分析 ............................................................ 61
§4.5.2 初始段末端气流平均速度特性计算及分析 .................................... 63
§4.5.3 分层气流平均温度特性计算及分析 ................................................ 65
§4.7 本章小结 ................................................................................................ 68
第五章 结论和展望 ............................................................................................ 69
§5.1. 结论 ........................................................................................................ 69
§5.1.1 建议 .....................................................................................................70
参考文献 ..............................................................................................................71
在读期间公开发表的论文和承担 ......................................................................73
科研项目及取得成果 ..........................................................................................73
致 谢 ..................................................................................................................74
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及意义
我国能源结构以煤炭为主，大量的能源消耗必然带来大量温室气体的排放。
我国人均 CO2排放量已达到世界平均水平，虽然仍低于发达国家的人均水平，但
已丧失人均 CO2排放水平低的优势。如果长期不减排，我国参与《联合国气候变
化框架公约》活动时遭受越来越大压力，若处置不当，将影响我国的国际形象和
地位。另外，由于我国 CO2排放总量较大，国家正承受国际上越来越大的减排压
力。我国“十二五”规划提出了单位国内生产总值能耗降低 17.3％，当前建筑能耗
约占我国社会总能耗的 28%。据建设部测算，2020 年—2030 年左右，我国建筑能
耗将占总能耗的 30%—40%，达到欧美目前的比例，超过工业，成为全社会第一能
耗大户。有研究者对不同上海市商用大楼的全年能耗进行调查与分析发现，在办
公楼中，空调能耗占总能耗的 35%，在商办楼中，空调总能耗占总能耗的 25%。
在建筑中推广节能技术可以节约能源，有利于提高能源利用率，起到节能减排的
作用。
大空间建筑一般指单体面积超过 2万m2并使用中央空调的公共建筑[1]，随着
中国社会经济的发展，越来越多的高大公共建筑服务于国人生活，2008 年北京奥
运会体育场馆的建设、2010 年上海世博会的展厅场馆的建设，都是国家在高大空
间建筑建设上的缩影。大空间建筑能耗是住宅建筑的 10～20 倍，为高密度能耗领
域[2]，随着越来越多的高大空间建筑拔地而起，其能源消耗量变得相当可观。
国家对建筑节能的重视要求节能的空调形式服务于社会，置换通风作为一种
新型通风方式，使人体活动区得到了较高的空气品质并达到了节能的效果[3]。1978
年，置换通风第一次应用在德国柏林的一个焊接车间，明显改善了车间内空气品
质，并且节约空调耗能量。置换通风与混合通风相比，具有较高的换气效率和通
风效率、工作区空气品质高、节能效果明显等优点，因此具有很大的发展空间和
广泛的应用范围[4]。
置换通风在空气品质上的优势是建立在其独特的空气流动基础之上的，置换
风口出流的冷气流以较低的速度（0.2m/s～0.5m/s）通过布置于墙边或者内嵌于墙
体的送风口送入室内，送风冷气流比周围空气稍重，在密度差产生重力作用下缓
缓下降，在地板上方形成一层薄薄的空气层向周围铺开。冷气流遇到热源，在热
源的驱动下，上升气流形成羽状流，同时污染物被带到较高的区域排出，人员活
摘要：

I摘要置换通风和空调下送风具有节能和提高空气品质的优势，尤其在大空间建筑中优势更为明显。圆柱形送风口多用于置换通风和下送风系统，国内对这种曲面送风口研究较少，缺乏对风口有关气流特性的描述。对曲面风口送风特性，尤其是沿程速度和温度变化规律的研究，对进一步指导置换通风和空调下送风气流组织的设计具有重要的理论意义和现实意义。论文对半圆柱形送风口夏季送风气流特性进行了理论建模和实验研究。论文将低速曲面风口射流分为初始段和主体段，通过测定送风气流风速、温度，分析低速曲面风口送风射流的初始段和主体段结构特性，如气流边界、初始段长度、主体段气流高度，分析了不同风量、送风温差等因素对这些结构特性的影响。实验结...

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