上海理工大学 张玉洁 王昕 堵光耀 许宇坤
【摘 要】大空间室内高温热源产生的热羽流对喷口侧送的分层空调气流组织形式有着不容忽视的影响作用，在现有热羽流与冷射流相互作用理论分析及机理研究的基础上，设计并搭建大空间全尺寸流场测量系统，分析了不同热源功率产生的热羽流对非等温射流的影响。研究表明：该实验系统可实现对流场的准确、直观的全场测量，可用于更多工况下流场速度的测量；热源的存在会对非等温射流流场产生在一定程度上的影响，热源功率越大，热羽流对射流流场破坏程度越明显。
【关键词】水平射流；热羽流：PIV；流场测量
随着国民经济的迅猛增长，满足人们生产生活的高大空间建筑也越来越多，建筑能耗的增加、人们对室内环境与空气品质的要求日益提高，使得室内空调气流组织的合理设计愈发重要。如何实现空调送风以最为合理的方式送入室内，既要满足舒适性要求又要达到节能目的，值得进行一番探讨。目前高大空间夏季工况下普遍采用分层空调的来满足人员居留区舒适性要求，实现温度的合理分层以避免不必要的能耗，喷口侧送的气流组织形式是分层空调应用较为广泛的一种形式[1-2] 。值得注意的是在实际工程中对于此种气流组织形式大多是套用半经验射流公式进行计算，而这种计算方法并未考虑室内热源产生的影响[3] ，对于设备发热量大、人员较多的场所[5-6]热源在竖直方向上产生的热羽流对空调送风的影响是不容忽视的[4] 。若使用原有的气流组织计算不利于气流组织的分布，很难达到节能的效果。
上海理工大学暖通研究所大空间课题组[7-9]在多种大空间建筑进行经过多次室内热环境现场实测后发现，热源在其正上方由于浮升力产生的竖向热羽流运动会改变冷射流既定的运动轨迹，导致冷射流无法按设计要求到达设计工作区域。因此探讨热羽流对非等温射流流场的影响显得尤为重要，通过笔者大量搜索文献发现，关于大空间热羽流对冷射流的影响研究仍处于初步阶段。国内外学者曾采用解析分析、数值模拟等方法对于两者的相互作用运动机理进行讨论[10-15] ，实验方面多是采用盐水模型实验[16-18]来研究流动现象，但此种方法无法对流场进行直观定量的研究。笔者尝试在前人理论研究基础上，利用气态缩尺实验台，搭建大尺寸2D-PIV流场测量系统，对基于不同热量热源产生的羽流作用下的大空间水平射流运动速度场进行实验研究，为建立有热羽流作用下的侧送下回喷口送风气流组织设计方法提供实验方法和数据。
1 大尺寸2D-PIV测量系统设计思路
粒子图像测速技术（PIV）作为一种非接触测量、可显示流场的新型先进的速度测量方法，近年来广泛应用于流体动力学研究[19] ，但由于拍摄面积受限，几乎都只用于小范围的拍摄。在气态实验台中喷口射流断面横向可达2500mm，纵向1000mm，受实验台内部空间及PIV系统硬件条件限制，现有设备条件仅能实现的最大测量范围为400mm×400mm，为得到羽流作用下的非等温射流流场准确、直观的全场信息，需扩大PIV测量范围，实现在不同目标位置的PIV拍摄测量，以得到大范围高精度的流场信息，进一步探究羽流作用下的非等温射流运动特性。本研究将所测量截面划分为多个局部测量子区域，按照事先设定的测量子区域，分块逐张拍摄，最后将逐一拍摄得到的子区域处理得到其时均流场信息，通过拼接得到整体的时均流场。图2为喷口断面流场PIV拼接测量子区域划分示例，喷口断面流场共被分为图中编号1-24共24个子区域，子区域范围均为400mm×350mm，拼接后相邻两个子区域重合范围为20mm，尺寸标记详见图1。借助精确定位的电导轨，移动PIV激光器发射口镜组及CCD相机，使其对准每个子区域中心进行精准拍摄测量。各个子区域测量之后利用后处理软件及拼接技术对流场图像进行拼接，最终得到精确的全尺寸流场信息。
2 实验装置系统设计与搭建
2.1 气态缩尺实验室
本实验是在文献[20]中的模型试验基础上进行。实验室与原型以1：4的几何比例设计搭建，内部空间尺寸为4.9m×3.5m×2.5m(L×W×H)，气流组织形式为喷口侧送下部回风，空调系统布置图如图1所示，在此不做详述。
为准确模拟喷口射流的出流特征，实验室的送风喷口模型使用3D打印的标准文丘里喷嘴模拟喷口[21] ，模型喷口距地面1m，喷口形式如图3。室内热羽流由草坪灯[22]模拟得到，定制草坪灯灯罩固定模拟点源热羽流作用下的受迫羽流，草坪灯示意图及实物图如图4。灯芯采用低电压卤钨灯并配相应的变压器，可满足不同工况热源强度需求。
2.2 流场测量系统
结合气态缩尺实验台条件，根据第一节提到的设计思路，设计并搭建PIV测量系统、电动导轨系统及自控系统等。实验系统的室内布局三维图及平面示意图如图5所示。黄色部分为目标拍摄区域，淡蓝色标记处为电动导轨，其余各部分部件及尺寸均已标注。
a.PIV测速系统
实验使用的PIV测速系统从美国TSI公司购置，由Nd: YAG双脉冲固体激光器、CCD相机及同步器等组成。本实验所用的激光发射器发射镜组由两段导光臂组成，每段长约0.8米，从激光入口到出口共有7段可自由转动的节点连接，可以实现在激光器主体不发生移动的前提下，改变激光发射器发射出口镜组的位置，实现不同位置的激光照射。表1为测速系统主要仪器表。
b.可移动电导轨系统
为实现相机与激光器的精确移动，分别为激光器发射出口镜组及CCD相机各定制咦套XY双轴电动导轨模，以分别实现其在水平方向（X轴）及垂直方向（Y轴）上的精确移动。导轨采用WBD-TL-4080同步直线模组。通过自行装配的电机、驱动器、控制器、限位开关等部件对导轨上面的滑块进行联动控制。
相机部分，横向滑台设计可移动有效长度为1900mm，竖向为900mm，激光器发射出口镜组部分，横向滑台设计可移动有效长度为1900mm，竖向滑台可移动有效长度为850mm，横向导轨作架空处理，为保证激光器发射镜组移动过程中的稳定性，防止导轨因自重及竖向牵引力产生扭曲，采用双滑块模式。为避免垂直导轨阻碍水平送风射流运动，为激光发射器发射出口镜组与滑块的连接处设计制作特定加工件，以加长喷口送风断面与垂直导轨断面间的距离，尽可能的减少垂直导轨对送风射流的影响。并对各部分进行加固及调平处理。图6电动导轨系统示意图图。
c.自控移动系统
为确保实验室内流场的稳定性，本实验需要制作一套可精确定位的电导轨自动控制移动系统，以实现实验室内无人化操作，实现移动距离、坐标位置可视，移动速度大小、方向可变。通过在实验室外控制电动导轨上的4个电机，控制两组导轨滑块的移动，进而对相机和激光发射器发射出口镜组进行精确定位。在控制器的可视化界面中输入移动速度、移动距离、限位开关设定、转角与导轨直线距离相关转化系数等一系列数字信号进行设置，实验时在控制器上输入移动距离，当接收到控制信号时，驱动器驱动86闭环步进电机进行运转，电机与联轴器联动，实现轴向转动与齿轮皮条直线传动的切换，导轨上滑块与齿轮皮条直接相连，从而实现激光发射器发射出口镜组与相机随电动导轨上的滑块移动而移动。
除此三个系统外，实验采用红外激光仪、定位靶板、水平尺以及软件检测等联合对整个装置进行校核，以确保整个实验装置的精度达到设计要求。
2.3 实验方案概述
PIV测量原理示意图如图7所示，红色阴影区域为拍摄区域，在本实验中经过多次调试得出当激光器片光源透镜组距喷口水平距离为850mm、CCD相机镜头所在平面距拍摄断面垂直距离为1000mm、CCD相机镜头正对片光源光腰位置时，拍摄区域显示效果最佳。
PIV激光器主机放置在缩尺模型实验室内部喷口射流主流区外部区域，以避免设备本身对流场的影响，片光源透镜组发射口正对喷口中心，通过电动导轨系统的移动，改变激光器照射区域位置，使得每个子区域的所处的光照区域均为同一区域，以保证拍摄区域示踪粒子图像亮度的一致性。舞台烟雾机充注以1：3比例配置的甘油与水混合液，产生平均粒径为4μm的烟雾液滴作为示踪粒子，为能较好得捕捉热羽流部分的流场信息，在空调系统进风口处，以香烟产生的烟尘辅助发尘。
在进行喷口射流轴心断面流场测量实验时，首先打开空调系统，开启电热膜系统，并通入示踪粒子，拍摄喷口处流场，并进行时均化处理，计算其速度是否为设定工况的送风速度，若不是，通过阀门进行调节。本实验设置6个小时稳定时间，系统运行稳定后，通入示踪粒子，粒子浓度达到稳定后，通过自控系统调节相机及激光器位置，对子区域1至24逐一拍摄，一直循环4次为止。值得注意的是，在研究水平单股非等温射流时，被研究的送风喷口左右两边的喷口均关闭，防止对射流产生影响。
在一个工况实验完成后，对该工况下的每个子区域拍摄所得的图像进行处理。本实验将射流喷口、热源表面以及拍摄房间内壁面和激光导光臂等出现在拍摄区域中的物体进行了涂黑处理，以配合软件的背景降噪处理。为了提高图像数据计算的精确性，采用Insight4G软件内置的快速傅立叶变换算法进行互相关计算。采用Tecplot软件对每个子区域对应的所有采样图像数据进行均值处理后，用Excel对图像的dat.文件进行数据拼接处理，最终得到完整流场的速度分布图。
3 实验工况
在本实验中笔者针对非等温射流及热羽流选取了多种不同的实验工况进行测量，以研究不同工况下热羽流对非等温水平射流流场影响的变化规律。气态缩尺实验的原型厂房设计夏季冷负荷为32kW，缩尺模型冷负荷为1kW，本实验仅研究热羽流对单股射流的影响，而实验原型中喷口数量为10，故设定点热源热量Q=100W的热羽流作为基础工况，同时在设计计算中集中热源产生的冷负荷在负荷计算中所占比例较大，因此选定热源功率在100~300W之间进行研究，实验工况如下表2所示。
4 实验结果及分析
4.1 非等温射流轴心速度理论及实验结果分析
图8为工况1室内非等温水平射流速度场分布云图及矢量图，其中X、Z分别表示距离喷口水平和垂直距离，图9为该工况下流场等速度线图，红线所示为轴心运动轨迹线。已知射流理论中，非等温水平射流轴心偏移无量纲轨迹方程为[13]：
其中：y--射流轴心竖向偏移量，m；
do--喷口直径，m；
x--水平射程，m；
a--喷口紊流系数。
单股水平非等温射流从喷口处以一定的初速度进入到空间环境中后，一方面受到惯性力的作用继续向前运动，并且不断卷吸周围流体介质，速度分布不断扩散；另一方面由于受到的重力和浮力的不平衡，其运动轨迹在竖直方向上向下发生偏转，射流沿轴心轨迹不断向径向及法向扩展。
将工况1的单股非等温水平射流轴心轨迹实验值与理论值进行对比，并做出对比图（图10）可看出，两者运动轨迹吻合良好。射流末端出现的差异来自于回风口回流及房间尺寸的影响。经分析，该实验系统满足设计要求。
4.2 不同热源强度下非等温射流流场测量实验结果分析
图11~图13为不同热源强度下室内非等温射流速度场分布云图、矢量图，图14为工况1-4流场等速度线图。结合图11-14，通过对比对热羽流作用下的非等温水平射流做定性定量分析。
相比于无热源单股非等温水平射流流场，观察2-4三个工况速度分布图可知，改变热源强度，同一送风速度形成的气流模式有一定的相似性，随热源强度增加，浮力影响逐渐增大，实验室底部空气流动出现急剧变化。在水平方向0~0.5之间，射流轴心轨迹基本相同，在100W热源作用下，射流形态无较大变化，但在射流末端x=1.5mm处速度衰减较快，射流水平射程缩短11%；200W热源工况下，射流在与羽流相互作用之后，射流轴心轨迹有较大变化，射流在热羽流作用下抬升明显，使其无法按照设定向下运动，射流作用范围减小，水平射程缩短30%；300W热源工况下，热羽流对冷射流抬升作用显著，相互作用后垂直方向上速度均向上发展，原射流轨迹被完全破坏。
5 结论
（1）首次采用PIV测速系统在气态实验台上对热羽流影响下的非等温射流流场进行测速，实验中进行了不同工况的PIV测量，总结出一系列有效的系统调试方法，例如将示踪粒子均匀持续得送入实验台房间内部的处理方法，PIV系统工作电压及拍摄时间间隔的设置方法等，为今后其他此类课题研究提供一定的参考，也为课题组后续研究提供了技术支持；
（2）PIV测量可实现全场、瞬态测量。由实验结果及质量来看，得到的实验结果图均具有直观、清晰的特点，本实验的扩大PIV测量范围设计切实可行；
（3）本实验目前可实现2.2m*1.0m范围内的PIV测量，水平、竖直方向分速度及总速度具有均匀良好的显示效果，拍摄范围内任意点流速、涡量等信息均能得到；
（4）所搭建的实验系统可用于后续对多种工况下热羽流作用下的非等温射流流场进行定性定量研究。
参考文献：
[1] Gu Xianliang, Han Weiping, Zhao Jianing, Gao Fusheng. A research of the calculating method for the jets in large spaces [J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2009,39(10):128-136
[2] Gao Jun, Li Xiaodong, Gao Fusheng. A research for the coupling and entraining of the jets with the stratified air-conditioning system in large spaces [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2004, 36(6):815-818.
[3] Wang Xin. A research for the motion mechanism and the theoretical model of the coupling ventilation large space buildings [D]. Journal of University of Shanghai for Science and Technology, 2008
[4] Wang Xin, Huang Chen, Cao Weiwu. The fluid mechanics of ventilation system generated by buoyancy and momentum sources in a single room[J]. Journal of University of Shanghai for Science & Technology, 2009, 31(1):67-71.
[5] Ji Jie, Li Man, Li Yifan, et al. Transport characteristics of thermal plume driven by turbulent mixing in stairwell[J]. International Journal of Thermal Sciences 89 (2015) 264-271.
[6] L.J. Li, J. Ji , W.X. Shi , Z.H. Gao. A modified turbulent mixing model with the consideration of heat transfer between hot buoyant plume and sidewalls in a closed stairwell[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer 84 (2015) 521-528.
[7] 富宇莹,王昕,黄晨,罗行. 羽状流作用下的非等温空调射流运动研究[J]. 上海理工大学学报, 2008, 30(4):387-391.
[8] 王昕,黄晨,曹伟武. 大空间建筑居留区空调射流与室内羽状气流作用机理研究[J]. 上海理工大学学报, 2009, 31(1):67-71.
[9] Wang Xin, Huang Chen, Fu Yuying, Cao Weiwu. Fluid mechanics of ventilation system generated by buoyancy and momentum sources and experiments research[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2010, 17(4):531-535.
[10] 冯慧，李安桂.非等温贴附射流数值模拟[D].西安建筑科技大学学报，2007.
[11] 周志仁，谭洪卫，潘冬梅. 大空间空调中射流理论的适用性问题研究[J].暖通空调, 2010,40(2):123-127.
[12] R. Harish, K. Venkatasubbaiah. Numerical simulation of turbulent plume spread in ceiling vented enclosure [J]. European Journal of Mechanics B/Fluids, 2013 , 42 (11) :142-158.
[13] 代运天，王昕.基于多股热预留作用下的大空间水平射流运动模型研究[D].上海理工大学，2013.
[14] Mostafa Esmaeili, Asghar Afshari, Farhad A. Jaberi. Turbulent mixing in non-isothermal jet in crossflow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 89 :1239-1257.
[15] Wang Xin, Shen Shuren, Du Guangyao, Dai Yuntian. Interaction mechanism model for anon-isothermal air-jet and a buoyant plume-revision[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2017 , 9 (6):1-13.
[16] Hunt GR, Cooper P, Linden PF. Thermal stratification produced by plumes and jets in enclosed spaces[J]. Building & Environment, 2001, 36 (7) :871-882.
[17] Chen Z D, Li Y, Mahoney J. Natural ventilation in an enclosure induced by a heat source distributed uniformly over a vertical wall[J]. Building & Environment, 2001, 36(4):493-501.
[18] 梁云, 王昕.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[D].上海理工大学, 2013.
[19] 雷彬. 上送下回送风方式室内空气流动的2DPIV实验研究[D]. 西安建筑科技大学, 2009.
[20] 王欢,黄晨. 基于缩尺模型的大空间下送中回空气流动研究[D].上海理工大学，2014.
[21]叶李飞，王昕. 大空间喷口送风分层空调系统对流热转移负荷缩尺模型实验研究[D].上海理工大学，2015.
[22] Wang Xin, Du Guangyao, Zhang Yujie, et al. Experimental Research on PIV Test of Single Thermal Plume Velocity Distribution with Different Heating Power[J]. Procedia Engineering, 2017, 205:2493-2500.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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