通风空调百叶风口阻力特性与几何结构的关系

通风空调百叶风口阻力特性与几何结构的关系摘要由于百叶风口结构简单、安装方便等特点在通风空调工程中得到了广泛使用。但是，工程实践中发现：百叶倾斜角度，百叶宽度、厚度，百叶垂直间距甚至百叶本身的结构等对通风效果、压力损失、阻力系数甚至噪声效果有重要的影响。本文基于理论分析，以数值研究方法对单侧百叶风口的阻力系数与几何结构的关系进行了探讨。数值模拟采用FLUENT6.0软件，计算结果用Excel进行后处理。研究分析了百叶倾斜角度，百叶挡板宽度，百叶挡板垂直间距及百叶挡板厚度对风口阻力系数的影响。关键词百叶风口数值模拟局部阻力系数NumericalSimulationofShutter’sResistanceCharacterUsedinAir-conditioningandVentilationAbstractBasedonthetheoreticalanalyses,describelocalresistancecoefficientoftheoutletsthroughnumericalsimulation.UsethesoftwareofFLUENT6.0fornumericalsimulationanduseExcelforprocessingtheresults.Analyzethedifferentresultsofresistancecoefficientbroughtbychangingtheobliquityoftheboards,thewidthoftheboards(b),therationofwidthanduprightdistancebetweentwoboards(b/h)andthethickness(d)ofboards.Keywordsshutter,numericalsimulation,localresistancecoefficient1引言侧送风方式具有布置简单，施工方便，能满足房间对射流扩散、速度衰减的要求，因而被广泛用于空调房间送风。在侧送风方式中，百叶风口由于结构简单而被普遍应用，尤其是在自然通风中，百叶风口更为常见。百叶风口的应用已有悠久的历史，但由于其结构的可变化范围很大，实际上，工程经验表明人们至今对其和气流组织的关系尚未有清楚的认识。鉴于此，本研究对单侧百叶风口的性能进行数值模拟，以便更深入地了解这一传统的风口动力特性，从而在建筑空调的使用中更好地发挥其性能优势。2百叶风口的数值模拟模型的建立衡量风口性能优劣主要依据是在风压转换系数K值相同的条件下，局部阻力系数小者为优，大者为劣[1]，在百叶风口中，决定局部阻力系数的因素主要有百叶挡板倾斜角度、百叶挡板宽度b、百叶挡板宽度与百叶挡板垂直间距的比值b/h及百叶挡板厚度d[1]，因此，本研究从这几方面入手，进行数值模拟。关于风口模型的建立，采用了以下几点假定[4][5][6][7]：风口内空气流动为不可压缩气体紊流流动；图1百叶模型由于本研究只关心百叶间的空气流动状况，且百叶风口在宽度方向（X方向）对称，因此将其简化为只具有厚度（Z方向）和高度（Y方向）的两维模型（即认为X方向无穷大），相当于用一个矩形截面来截此型体，从而大大减少了计算量，百叶风口的模型见图1；图1百叶模型工程中使用标准的k-ε方程已有足够的精度，本文以稳态标准k-ε方程来描述百叶风口内的空气流动；由于百叶风口相比其他建筑空间较小，如果直接以百叶风口的进出口侧为进出口边界，可能由于气流的未充分发展而使计算产生较大的误差，故本文通过对多个模型的模拟计算，找出了两个假定的边界，距百叶的进口侧1000㎜，距出口侧1500㎜，在这两条边界处阻力系数的计算已基本不受所设边界距离的影响；数值计算选用控制容积法对控制方程的微分形式进行离散，并采用压力校正的SIMPLEC算法；对动量方程，紊流脉动动能方程（K方程）及紊流动能耗散率方程（ε方程）采用QUICK算法，对墙壁及百叶挡板均采用标准壁面函数法及无滑移壁面条件；百叶挡板的倾斜角度变化范围为0°～60°，百叶挡板宽度b的变化范围为10㎜～100㎜、百叶挡板宽度与百叶挡板垂直间距的比值b/h的变化范围为0.4～3.0，百叶挡板厚度d的变化范围为0.6㎜～2.1㎜；3数值模拟结果及分析阻力系数修正值α的确定本文模拟了当百叶入口侧风速从0.5m/s变化到10m/s过程中的流动情况，计算了每种情况下流体流经风口时的风速v，根据公式，求得平均值作为α的确定值，其中，流过风口时的v由计算，vi是第i个和第i+1个挡板间流体的速度，n为百叶风口的挡板数量。阻力系数数值计算的其他条件为：挡板b/h=1.0，板长b=50㎜，板厚d=1.5㎜，空气密度取1.2㎏/m3，挡板倾斜角度为30°（假定挡板水平放置时为0°）。经过计算得出，工程上所应用的阻力系数值实际上比阻力系数的准确计算值大，二者的关系为：。百叶风口用于自然通风时，室外风速的变化对阻力系数的影响1933年，尼古拉兹对于六种不同人工粗糙度的圆管子的流动状况进行了大量的实验研究，结果将流动分成五个区域，即层流区域、紊流发生区、紊流光滑区、紊流过渡区和阻力平方区（自模区）[8]，得出当流动进入阻力平方区时，沿程阻力系数λ仅与相对粗糙度K/d有关而与Re数无关。对于气流流过百叶这种板间流动，上述理论内容依然成立，本研究将通过数值模拟，确定流体进入阻力平方区时的风速。计算所得的阻力系数计算表如下所示：图2外界风速变化对阻力系数的影响曲线由图2可以得出，百叶风口应用于自然通风时，当室外风速达到7m/s时，空气的紊流流动达到阻力平方区，此时阻力系数不再随外界风速的变化而改变。挡板倾斜角度的变化对阻力系数的影响阻力系数数值计算的其他条件为：挡板b/h=1.0，板长b=50㎜，板厚d=1.5㎜，空气密度取1.2㎏/m3，设定来流速度速为3m/s。（a）挡板倾斜角度为30°（b）挡板倾斜角度为60°（c）A处放大图图3不同挡板倾斜角度下的速度场通过图3、图4可看出：图4阻力系数随百叶挡板倾斜角度的变化曲线图5阻力系数随百叶挡板倾角的变化曲线1)挡板倾斜角度越小则阻力损失越小。阻挡来流的叶片后面，必然有涡存在，涡区是低压和低速区，叶片倾斜角度大，其后面的涡区域就较大，它的存在必然使叶片后形成负压区，叶片前后形成压差，带来百叶风口的阻力损失。并且挡板角度越小，气流遇到的挡板阻挡越小，气流撞击挡板所形成的撞击损失越小。虽然0图4阻力系数随百叶挡板倾斜角度的变化曲线图5阻力系数随百叶挡板倾角的变化曲线般不予采用；2)随挡板倾斜角度的增大，挡板后涡区增大，并且，当挡板倾斜角度增大到60°时，挡板后形成了两个涡区，见图3（c），原因是当气流受到挡板阻挡，在流过挡板间隙时，速度增大，如果挡板的倾斜角度过大，流体就不能很好的沿挡板倾斜方向流动，而与挡板脱离，使得挡板的导流效果减弱，两股高速气流互相干扰.于是，在挡板下又形成了一个涡流区，增加了涡流损失（因形成涡流而消耗的能量）。3)挡板b/h的变化b与h如图5所示。作者依次模拟了b/h值从0.4～3.0的变化。图6阻力系数随百叶挡板b/h图6阻力系数随百叶挡板b/h值的变化曲线图5百叶的b和h模拟条件为：来流速度为3m/s，挡板倾斜角度为30°，且板长b=50㎜，板厚d=1.5㎜，空气密度取1.2㎏/m3；具体情况如图6和图7所示：通过模拟可以得出：随b/h值的增加，压力损失大体上逐渐增加。因为在板长b一定的情况下，b/h越大，板间距h越小，由于它减小了气流弯曲半径，气流经过百叶挡板间隙绕过百叶挡板过程中由于离心力的作用使气流弯曲所造成的阻力损失增大。同时通过图7可看到在b/h=1.2时，阻力系数出现了一个极小值，这和挡板下方形成的涡流区有关。因为挡板b/h值越小，涡流区越明显，当挡板b/h=0.4时，挡板下方出现了两个涡流区，同样也是受到挡板上方和下方两股高速气流的影响，涡流的形成影响出口速度并增加了涡流损失，当b/h=1.2时，涡流区开始明显减弱，此时压力损失小，当b/h=2.2时，百叶风口下部挡板的涡流区开始消失（图7）；鉴于压力损失、出口速度及所形成的涡流区大小的综合考虑，作者推荐使用0.8≤b/h≤2.0的百叶风口，鉴于在b/h=1.2时阻力系数最小，建议广泛使用。（a）b/h=0.4（b）b/h=1.2（c）b/h=2.2（d）A处的局部放大图（e）B处的局部放大图（f）C处的局部放大图图7不同挡板b/h值时的速度场对比3）挡板b值的变化作者依次模拟了b从10㎜到100㎜的变化，模拟条件为：挡板倾角为30°,挡板b/h=1.0，板厚d=1.5㎜，空气密度取1.2㎏/m3，具体情况见和图8、9所示，可得出：图8阻力系数随b值的变化曲线随着百叶b值的增大，压力损失先减小后增加，在b=40㎜时最小。因为流体经过的挡板长度增大，为克服挡板表面摩擦力所耗的能量就增多，压力损失将增大，但对b/h值同为1.图8阻力系数随b值的变化曲线由图10看出，挡板下面的涡流区随板宽的增加而增大，增大了涡流损失；由表中数据可见，综合考虑到涡流区等的影响，建议选择10㎜≤b≤50㎜的板宽，当b=40㎜时具有最小的阻力系数值，建议普遍使用。（a）b=10㎜（b）b=40㎜（c）b=100㎜（d）A处放大图（e）B处放大图（f）C处放大图图9不同挡板b值时的速度场对比4）挡板厚度d值的变化由于工程上普遍使用铝合金百叶风口，本文模拟风口挡板厚度为0.6㎜～2.1㎜，模拟条件为：来流速度为3m/s，挡板倾角为30°,挡板b/h=1.0，板宽b=50㎜，空气密度取1.2㎏/m3；从图10可见，百叶挡板厚度对百叶风口的局部阻力系数影响不大，当d=1.5㎜时局部阻力系数最小，建议使用此值。图10阻力系数随d值的变化曲线5）改变百叶板入口侧形状，如图11所示，由于其良好的导流作用，将会减少由于板边缘垂直变图10阻力系数随d值的变化曲线化引起涡流。图11改进前后的挡板下部空气流动情况对比4结论根据公式的物理意义，ζ的准确计算值与工程应用值并不相等，二者的关系为；根据紊流分区的理论，百叶风口用于自然通风时，当室外风速为7m/s时，空气流动进入阻力平方区（自模区），百叶风口的阻力系数为一定值，不再随室外风速的改变而变化；挡板倾斜角度越小，压力损失越小，因此在播音室、图书馆等要求进口风速比较小的场所，宜采用挡板角度≤30°的百叶风口；在电影院、通用办公室等要求进口风速比较大的场所，百叶挡板的角度应选≤45°，并可根据实际需要调节百叶倾斜角度来调节进出口风速；百叶挡板的b/h值越大，压力损失越大，鉴于压力损失、板间形成涡流区的大小，建议百叶挡板的b/h值取0.8到2.0之间，b/h=1.2为最佳值；当百叶挡板宽度b=40㎜时，百叶挡板的阻力系数最小，考虑到涡流区等的影响，建议选用10㎜≤b≤50㎜的板宽；百叶挡板的厚度可取为1.5㎜；叶挡板的入口侧可选用具有倾斜度的楔形挡板来代替矩形挡板，利用其较好的导流作用，可得到更好的出流效果。参考文献[1]郭春信.地下空间自然通风.北京：中国建筑工业出版社，1993[2]陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学出版社，1988[3]卜增文.空调末端设备安装图集.北京：中国建筑工业出版社，2000[4]张祝新，程晓新.对工程流体力学节流孔口流量特性的讨论.机床与液压，1999，6：68-69[5]邢春礼，秦裕琨.百叶窗煤粉浓缩器阻力特性研究.热能动力工程，1994，9（4）：221-227[6]E.P.,D.ScVishnevskii,PetrosoekClimateMakerCo.