上海理工大學(xué) 張玉潔  王昕  堵光耀  許宇坤

    【摘  要】大空間室內(nèi)高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的熱羽流對(duì)噴口側(cè)送的分層空調(diào)氣流組織形式有著不容忽視的影響作用，在現(xiàn)有熱羽流與冷射流相互作用理論分析及機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建大空間全尺寸流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，分析了不同熱源功率產(chǎn)生的熱羽流對(duì)非等溫射流的影響。研究表明：該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)的準(zhǔn)確、直觀的全場(chǎng)測(cè)量，可用于更多工況下流場(chǎng)速度的測(cè)量；熱源的存在會(huì)對(duì)非等溫射流流場(chǎng)產(chǎn)生在一定程度上的影響，熱源功率越大，熱羽流對(duì)射流流場(chǎng)破壞程度越明顯。

    【關(guān)鍵詞】水平射流；熱羽流：PIV；流場(chǎng)測(cè)量

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛增長，滿足人們生產(chǎn)生活的高大空間建筑也越來越多，建筑能耗的增加、人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境與空氣品質(zhì)的要求日益提高，使得室內(nèi)空調(diào)氣流組織的合理設(shè)計(jì)愈發(fā)重要。如何實(shí)現(xiàn)空調(diào)送風(fēng)以最為合理的方式送入室內(nèi)，既要滿足舒適性要求又要達(dá)到節(jié)能目的，值得進(jìn)行一番探討。目前高大空間夏季工況下普遍采用分層空調(diào)的來滿足人員居留區(qū)舒適性要求，實(shí)現(xiàn)溫度的合理分層以避免不必要的能耗，噴口側(cè)送的氣流組織形式是分層空調(diào)應(yīng)用較為廣泛的一種形式^[1-2] 。值得注意的是在實(shí)際工程中對(duì)于此種氣流組織形式大多是套用半經(jīng)驗(yàn)射流公式進(jìn)行計(jì)算，而這種計(jì)算方法并未考慮室內(nèi)熱源產(chǎn)生的影響^[3] ，對(duì)于設(shè)備發(fā)熱量大、人員較多的場(chǎng)所^[5-6]熱源在豎直方向上產(chǎn)生的熱羽流對(duì)空調(diào)送風(fēng)的影響是不容忽視的^[4] 。若使用原有的氣流組織計(jì)算不利于氣流組織的分布，很難達(dá)到節(jié)能的效果。

    上海理工大學(xué)暖通研究所大空間課題組^[7-9]在多種大空間建筑進(jìn)行經(jīng)過多次室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，熱源在其正上方由于浮升力產(chǎn)生的豎向熱羽流運(yùn)動(dòng)會(huì)改變冷射流既定的運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致冷射流無法按設(shè)計(jì)要求到達(dá)設(shè)計(jì)工作區(qū)域。因此探討熱羽流對(duì)非等溫射流流場(chǎng)的影響顯得尤為重要，通過筆者大量搜索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于大空間熱羽流對(duì)冷射流的影響研究仍處于初步階段。國內(nèi)外學(xué)者曾采用解析分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)于兩者的相互作用運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行討論^[10-15] ，實(shí)驗(yàn)方面多是采用鹽水模型實(shí)驗(yàn)^[16-18]來研究流動(dòng)現(xiàn)象，但此種方法無法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行直觀定量的研究。筆者嘗試在前人理論研究基礎(chǔ)上，利用氣態(tài)縮尺實(shí)驗(yàn)臺(tái)，搭建大尺寸2D-PIV流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)基于不同熱量熱源產(chǎn)生的羽流作用下的大空間水平射流運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為建立有熱羽流作用下的側(cè)送下回噴口送風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)方法提供實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)。

1 大尺寸2D-PIV測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

    粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）作為一種非接觸測(cè)量、可顯示流場(chǎng)的新型先進(jìn)的速度測(cè)量方法，近年來廣泛應(yīng)用于流體動(dòng)力學(xué)研究^[19] ，但由于拍攝面積受限，幾乎都只用于小范圍的拍攝。在氣態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中噴口射流斷面橫向可達(dá)2500mm，縱向1000mm，受實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部空間及PIV系統(tǒng)硬件條件限制，現(xiàn)有設(shè)備條件僅能實(shí)現(xiàn)的最大測(cè)量范圍為400mm×400mm，為得到羽流作用下的非等溫射流流場(chǎng)準(zhǔn)確、直觀的全場(chǎng)信息，需擴(kuò)大PIV測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)在不同目標(biāo)位置的PIV拍攝測(cè)量，以得到大范圍高精度的流場(chǎng)信息，進(jìn)一步探究羽流作用下的非等溫射流運(yùn)動(dòng)特性。本研究將所測(cè)量截面劃分為多個(gè)局部測(cè)量子區(qū)域，按照事先設(shè)定的測(cè)量子區(qū)域，分塊逐張拍攝，最后將逐一拍攝得到的子區(qū)域處理得到其時(shí)均流場(chǎng)信息，通過拼接得到整體的時(shí)均流場(chǎng)。圖2為噴口斷面流場(chǎng)PIV拼接測(cè)量子區(qū)域劃分示例，噴口斷面流場(chǎng)共被分為圖中編號(hào)1-24共24個(gè)子區(qū)域，子區(qū)域范圍均為400mm×350mm，拼接后相鄰兩個(gè)子區(qū)域重合范圍為20mm，尺寸標(biāo)記詳見圖1。借助精確定位的電導(dǎo)軌，移動(dòng)PIV激光器發(fā)射口鏡組及CCD相機(jī)，使其對(duì)準(zhǔn)每個(gè)子區(qū)域中心進(jìn)行精準(zhǔn)拍攝測(cè)量。各個(gè)子區(qū)域測(cè)量之后利用后處理軟件及拼接技術(shù)對(duì)流場(chǎng)圖像進(jìn)行拼接，最終得到精確的全尺寸流場(chǎng)信息。

2 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建

    2.1 氣態(tài)縮尺實(shí)驗(yàn)室

    本實(shí)驗(yàn)是在文獻(xiàn)[20]中的模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室與原型以1：4的幾何比例設(shè)計(jì)搭建，內(nèi)部空間尺寸為4.9m×3.5m×2.5m(L×W×H)，氣流組織形式為噴口側(cè)送下部回風(fēng)，空調(diào)系統(tǒng)布置圖如圖1所示，在此不做詳述。

    為準(zhǔn)確模擬噴口射流的出流特征，實(shí)驗(yàn)室的送風(fēng)噴口模型使用3D打印的標(biāo)準(zhǔn)文丘里噴嘴模擬噴口^[21] ，模型噴口距地面1m，噴口形式如圖3。室內(nèi)熱羽流由草坪燈^[22]模擬得到，定制草坪燈燈罩固定模擬點(diǎn)源熱羽流作用下的受迫羽流，草坪燈示意圖及實(shí)物圖如圖4。燈芯采用低電壓鹵鎢燈并配相應(yīng)的變壓器，可滿足不同工況熱源強(qiáng)度需求。

    2.2 流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

    結(jié)合氣態(tài)縮尺實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件，根據(jù)第一節(jié)提到的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)并搭建PIV測(cè)量系統(tǒng)、電動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)及自控系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的室內(nèi)布局三維圖及平面示意圖如圖5所示。黃色部分為目標(biāo)拍攝區(qū)域，淡藍(lán)色標(biāo)記處為電動(dòng)導(dǎo)軌，其余各部分部件及尺寸均已標(biāo)注。

    a.PIV測(cè)速系統(tǒng)

    實(shí)驗(yàn)使用的PIV測(cè)速系統(tǒng)從美國TSI公司購置，由Nd: YAG雙脈沖固體激光器、CCD相機(jī)及同步器等組成。本實(shí)驗(yàn)所用的激光發(fā)射器發(fā)射鏡組由兩段導(dǎo)光臂組成，每段長約0.8米，從激光入口到出口共有7段可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)連接，可以實(shí)現(xiàn)在激光器主體不發(fā)生移動(dòng)的前提下，改變激光發(fā)射器發(fā)射出口鏡組的位置，實(shí)現(xiàn)不同位置的激光照射。表1為測(cè)速系統(tǒng)主要儀器表。

    b.可移動(dòng)電導(dǎo)軌系統(tǒng)

    為實(shí)現(xiàn)相機(jī)與激光器的精確移動(dòng)，分別為激光器發(fā)射出口鏡組及CCD相機(jī)各定制咦套XY雙軸電動(dòng)導(dǎo)軌模，以分別實(shí)現(xiàn)其在水平方向（X軸）及垂直方向（Y軸）上的精確移動(dòng)。導(dǎo)軌采用WBD-TL-4080同步直線模組。通過自行裝配的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、限位開關(guān)等部件對(duì)導(dǎo)軌上面的滑塊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

    相機(jī)部分，橫向滑臺(tái)設(shè)計(jì)可移動(dòng)有效長度為1900mm，豎向?yàn)?00mm，激光器發(fā)射出口鏡組部分，橫向滑臺(tái)設(shè)計(jì)可移動(dòng)有效長度為1900mm，豎向滑臺(tái)可移動(dòng)有效長度為850mm，橫向?qū)к壸骷芸仗幚恚瑸楸ＷC激光器發(fā)射鏡組移動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，防止導(dǎo)軌因自重及豎向牽引力產(chǎn)生扭曲，采用雙滑塊模式。為避免垂直導(dǎo)軌阻礙水平送風(fēng)射流運(yùn)動(dòng)，為激光發(fā)射器發(fā)射出口鏡組與滑塊的連接處設(shè)計(jì)制作特定加工件，以加長噴口送風(fēng)斷面與垂直導(dǎo)軌斷面間的距離，盡可能的減少垂直導(dǎo)軌對(duì)送風(fēng)射流的影響。并對(duì)各部分進(jìn)行加固及調(diào)平處理。圖6電動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)示意圖圖。

    c.自控移動(dòng)系統(tǒng)

    為確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)需要制作一套可精確定位的電導(dǎo)軌自動(dòng)控制移動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無人化操作，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)距離、坐標(biāo)位置可視，移動(dòng)速度大小、方向可變。通過在實(shí)驗(yàn)室外控制電動(dòng)導(dǎo)軌上的4個(gè)電機(jī)，控制兩組導(dǎo)軌滑塊的移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)相機(jī)和激光發(fā)射器發(fā)射出口鏡組進(jìn)行精確定位。在控制器的可視化界面中輸入移動(dòng)速度、移動(dòng)距離、限位開關(guān)設(shè)定、轉(zhuǎn)角與導(dǎo)軌直線距離相關(guān)轉(zhuǎn)化系數(shù)等一系列數(shù)字信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)驗(yàn)時(shí)在控制器上輸入移動(dòng)距離，當(dāng)接收到控制信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)86閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)與聯(lián)軸器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)與齒輪皮條直線傳動(dòng)的切換，導(dǎo)軌上滑塊與齒輪皮條直接相連，從而實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射器發(fā)射出口鏡組與相機(jī)隨電動(dòng)導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)而移動(dòng)。

    除此三個(gè)系統(tǒng)外，實(shí)驗(yàn)采用紅外激光儀、定位靶板、水平尺以及軟件檢測(cè)等聯(lián)合對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行校核，以確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

    2.3 實(shí)驗(yàn)方案概述

    PIV測(cè)量原理示意圖如圖7所示，紅色陰影區(qū)域?yàn)榕臄z區(qū)域，在本實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過多次調(diào)試得出當(dāng)激光器片光源透鏡組距噴口水平距離為850mm、CCD相機(jī)鏡頭所在平面距拍攝斷面垂直距離為1000mm、CCD相機(jī)鏡頭正對(duì)片光源光腰位置時(shí)，拍攝區(qū)域顯示效果最佳。

    PIV激光器主機(jī)放置在縮尺模型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部噴口射流主流區(qū)外部區(qū)域，以避免設(shè)備本身對(duì)流場(chǎng)的影響，片光源透鏡組發(fā)射口正對(duì)噴口中心，通過電動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)的移動(dòng)，改變激光器照射區(qū)域位置，使得每個(gè)子區(qū)域的所處的光照區(qū)域均為同一區(qū)域，以保證拍攝區(qū)域示蹤粒子圖像亮度的一致性。舞臺(tái)煙霧機(jī)充注以1：3比例配置的甘油與水混合液，產(chǎn)生平均粒徑為4μm的煙霧液滴作為示蹤粒子，為能較好得捕捉熱羽流部分的流場(chǎng)信息，在空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口處，以香煙產(chǎn)生的煙塵輔助發(fā)塵。

    在進(jìn)行噴口射流軸心斷面流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先打開空調(diào)系統(tǒng)，開啟電熱膜系統(tǒng)，并通入示蹤粒子，拍攝噴口處流場(chǎng)，并進(jìn)行時(shí)均化處理，計(jì)算其速度是否為設(shè)定工況的送風(fēng)速度，若不是，通過閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置6個(gè)小時(shí)穩(wěn)定時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通入示蹤粒子，粒子濃度達(dá)到穩(wěn)定后，通過自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)相機(jī)及激光器位置，對(duì)子區(qū)域1至24逐一拍攝，一直循環(huán)4次為止。值得注意的是，在研究水平單股非等溫射流時(shí)，被研究的送風(fēng)噴口左右兩邊的噴口均關(guān)閉，防止對(duì)射流產(chǎn)生影響。

    在一個(gè)工況實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)該工況下的每個(gè)子區(qū)域拍攝所得的圖像進(jìn)行處理。本實(shí)驗(yàn)將射流噴口、熱源表面以及拍攝房間內(nèi)壁面和激光導(dǎo)光臂等出現(xiàn)在拍攝區(qū)域中的物體進(jìn)行了涂黑處理，以配合軟件的背景降噪處理。為了提高圖像數(shù)據(jù)計(jì)算的精確性，采用Insight4G軟件內(nèi)置的快速傅立葉變換算法進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。采用Tecplot軟件對(duì)每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的所有采樣圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理后，用Excel對(duì)圖像的dat.文件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接處理，最終得到完整流場(chǎng)的速度分布圖。

3 實(shí)驗(yàn)工況

    在本實(shí)驗(yàn)中筆者針對(duì)非等溫射流及熱羽流選取了多種不同的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行測(cè)量，以研究不同工況下熱羽流對(duì)非等溫水平射流流場(chǎng)影響的變化規(guī)律。氣態(tài)縮尺實(shí)驗(yàn)的原型廠房設(shè)計(jì)夏季冷負(fù)荷為32kW，縮尺模型冷負(fù)荷為1kW，本實(shí)驗(yàn)僅研究熱羽流對(duì)單股射流的影響，而實(shí)驗(yàn)原型中噴口數(shù)量為10，故設(shè)定點(diǎn)熱源熱量Q=100W的熱羽流作為基礎(chǔ)工況，同時(shí)在設(shè)計(jì)計(jì)算中集中熱源產(chǎn)生的冷負(fù)荷在負(fù)荷計(jì)算中所占比例較大，因此選定熱源功率在100~300W之間進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)工況如下表2所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    4.1 非等溫射流軸心速度理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    圖8為工況1室內(nèi)非等溫水平射流速度場(chǎng)分布云圖及矢量圖，其中X、Z分別表示距離噴口水平和垂直距離，圖9為該工況下流場(chǎng)等速度線圖，紅線所示為軸心運(yùn)動(dòng)軌跡線。已知射流理論中，非等溫水平射流軸心偏移無量綱軌跡方程為[13]：

   

    其中：y--射流軸心豎向偏移量，m；

            do--噴口直徑，m；

            x--水平射程，m；

            a--噴口紊流系數(shù)。

    單股水平非等溫射流從噴口處以一定的初速度進(jìn)入到空間環(huán)境中后，一方面受到慣性力的作用繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并且不斷卷吸周圍流體介質(zhì)，速度分布不斷擴(kuò)散；另一方面由于受到的重力和浮力的不平衡，其運(yùn)動(dòng)軌跡在豎直方向上向下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，射流沿軸心軌跡不斷向徑向及法向擴(kuò)展。

    將工況1的單股非等溫水平射流軸心軌跡實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，并做出對(duì)比圖（圖10）可看出，兩者運(yùn)動(dòng)軌跡吻合良好。射流末端出現(xiàn)的差異來自于回風(fēng)口回流及房間尺寸的影響。經(jīng)分析，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

    4.2 不同熱源強(qiáng)度下非等溫射流流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    圖11~圖13為不同熱源強(qiáng)度下室內(nèi)非等溫射流速度場(chǎng)分布云圖、矢量圖，圖14為工況1-4流場(chǎng)等速度線圖。結(jié)合圖11-14，通過對(duì)比對(duì)熱羽流作用下的非等溫水平射流做定性定量分析。

    相比于無熱源單股非等溫水平射流流場(chǎng)，觀察2-4三個(gè)工況速度分布圖可知，改變熱源強(qiáng)度，同一送風(fēng)速度形成的氣流模式有一定的相似性，隨熱源強(qiáng)度增加，浮力影響逐漸增大，實(shí)驗(yàn)室底部空氣流動(dòng)出現(xiàn)急劇變化。在水平方向0~0.5之間，射流軸心軌跡基本相同，在100W熱源作用下，射流形態(tài)無較大變化，但在射流末端x=1.5mm處速度衰減較快，射流水平射程縮短11%；200W熱源工況下，射流在與羽流相互作用之后，射流軸心軌跡有較大變化，射流在熱羽流作用下抬升明顯，使其無法按照設(shè)定向下運(yùn)動(dòng)，射流作用范圍減小，水平射程縮短30%；300W熱源工況下，熱羽流對(duì)冷射流抬升作用顯著，相互作用后垂直方向上速度均向上發(fā)展，原射流軌跡被完全破壞。

5 結(jié)論

    （1）首次采用PIV測(cè)速系統(tǒng)在氣態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)熱羽流影響下的非等溫射流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)速，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了不同工況的PIV測(cè)量，總結(jié)出一系列有效的系統(tǒng)調(diào)試方法，例如將示蹤粒子均勻持續(xù)得送入實(shí)驗(yàn)臺(tái)房間內(nèi)部的處理方法，PIV系統(tǒng)工作電壓及拍攝時(shí)間間隔的設(shè)置方法等，為今后其他此類課題研究提供一定的參考，也為課題組后續(xù)研究提供了技術(shù)支持；

    （2）PIV測(cè)量可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)、瞬態(tài)測(cè)量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果及質(zhì)量來看，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖均具有直觀、清晰的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)大PIV測(cè)量范圍設(shè)計(jì)切實(shí)可行；

    （3）本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳翱蓪?shí)現(xiàn)2.2m*1.0m范圍內(nèi)的PIV測(cè)量，水平、豎直方向分速度及總速度具有均勻良好的顯示效果，拍攝范圍內(nèi)任意點(diǎn)流速、渦量等信息均能得到；

    （4）所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可用于后續(xù)對(duì)多種工況下熱羽流作用下的非等溫射流流場(chǎng)進(jìn)行定性定量研究。

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    備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。
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