基于谱分析的自然风与机械风对人体流场的影响

基于谱分析的自然风与机械风对人体流场的影响

为了创造一个舒适的环境，使用空调越来越频繁。而空调送风的设计标准通常要求在人工作区平均风速低于0.2m/s,即使这样,也常会使人有冷吹风感,招致人们的抱怨。而人体所乐于承受的自然风的风速通常远高于空调送风,觉得自然风比机械风更加舒适。自然风与机械风究竟有何区别,又是何种因素导致了自然风与机械风对人体感觉影响的不同,这是人们普遍关注却又未能深入探索的问题。人体对吹风的接受程度除了传热的因素以外,还与气流对皮肤表面的刺激以及传导到大脑皮层的信号有关。这就要求必须考虑气流自身的动态结构。谱分析是研究气流动态结构特性最重要的方法之一,并已应用到建筑环境气流的分析之中。本文采用了谱分析的方法对自然风和机械风样本进行了分析。研究结果表明在人所敏感的频率区域,自然风和机械风的谱特征有着明显的区别和有趣的联系。1建筑领域中双对数功率谱密度函数的拟合湍流是由不同尺度的涡旋叠加而成的。谱分析方法中的功率谱密度函数可以给出湍流中不同涡旋所对应的频率和波动能量的大小,能比较全面、准确地说明流场特性。对脉动风速v′进行谱分析,其功率谱密度函数满足以下关系式:∫∞0E(f)df=v′2¯¯¯¯.∫0∞E(f)df=v′2¯.其中:E(f)为功率谱密度函数,f为频率。图1是建筑室外空旷地带距离地面1.6m处自然风和接近机械风口气流的双对数功率谱密度曲线。从图中可以直观看出,典型自然风和典型机械风双对数功率谱曲线的负斜率值(β值)有较大的区别。本文研究气流谱特征的目的是为了研究气流与人体的关系。如同人体只对一定频率范围的声波较为敏感一样,人体也只对一定紊动频率范围内的气流敏感。有研究表明,人体敏感的紊动气流主要集中在低频区域。本文将0.01～1.00Hz的频域区间作为研究的重点,通过最小二乘法拟合得到这个区间的双对数功率谱曲线的负斜率β(或称为功率谱指数),并将其作为主要研究指标。风速的测量采用北京大学大气物理实验室制作的热线风速仪。热线的直径为20μm,经过标定后风速测量误差在5%以内。实验中的采样频率设置为10Hz;实验采样满足Shannon采样定理,并且能确保研究所关心的频域区间信息的完整采集。2不同工况、不同边界条件下的值分布为了考察在不同环境下自然风的谱特征,在多个地方进行了自然风数据的采样实验。具体地点包括:建筑屋顶平台、建筑周边、远离建筑的草坪空旷地带、海边以及自然通风建筑室内。对于室外工况,测点均布置在距离地面或屋面1.6m高的位置。每个工况重复多次测量,测量时环境温度在15～30℃。图2为草坪、楼顶、周边以及建筑室内4种工况β值的分布情况。表1中给出了β值平均值和湍流度Tu(脉动风速的标准差与流速均值之比)平均值。从表1中可知,由于草坪中央和楼顶平台均处于较为空旷地方,自然风气流受周围建筑影响较少,因此二者功率谱指数和湍流度较为接近,并且β值接近于前苏联科学家Kolmogorov提出的局部各向同性湍流惯性区的能谱功率谱指数5/3。由于建筑周边和室内自然风气流受到建筑影响较大,建筑边界条件的影响加速了气流涡旋结构的大涡向小涡的转变,因此,自然风的能量中小涡能量的比例变大,从而导致β值有所减小。从图2中还可以发现,各种工况的自然风的β值与平均风速有一定的关联,这种关系可以从海边自然风的分析结果中看得更加明显。图3显示了海边自然风β值随平均风速变化关系,从图中可知β值随着平均风速的增加而减小,但均大于1.1。上述结果表明,建筑环境中各个工况下的自然风谱特征具有相似特征,但在不同环境下β值有所不同,建筑环境以及平均风速对自然风的谱特征均有一定影响。3交流风机自由射流结果对比首先考虑两种形式风机的自由射流工况。实验在一个封闭的大空间中进行。气流驱动源分别采用离心风机和轴流风机。如图4所示,在风机射流的轴线上连续布置8个测点,测点与扇片的中心位置等高(距地面1.6m)。测点与扇片之间以及测点与测点之间的间距均为1m。风机转速由变频器控制。图5、6给出了变频器在30Hz工作条件下的两种风机自由射流各测点处平均风速和β值的变化。从图中可以看出,离心风机与轴流风机在距风机第2个测点之后,平均风速基本一致,并随着射流距离的增加而衰减;离心风机各个测点的β值均比轴流风机对应测点的数值小,但均随着射流距离的增加而增大,并在第6个测点之后,数值均大于1,与自然风数值接近。图7是变频器变频下(30、40、50Hz)两种风机自由射流各个测点气流β值与平均风速关系的一个统计图。图中更加明显说明了机械风在平均速度衰减到一定程度(大约为0.25m/s)之后,β值可达到典型自然风的数值。在采用风机盘管的空调系统中,机械风在射流区和工作区的谱特征也有类似的结论。图8给出了其中各个测点的平均风速与β值的关系。可以看出,在射流区(测点1),气流平均速度较大,β值在0.3左右;在工作区(测点2、3、4、5),平均风速小于0.25m/s,β值均大于1。4有明显有感悟的风速域内,各有特点有差异上述实验数据表明,自然风与机械风在谱特征上有着有趣的区别和联系。在出风口处,机械风的β值明显比自然风数值小,随着气流的扩散、平均速度的衰减,β值逐渐提高,并接近于自然风的数值。虽然自然风的功率谱特征也受平均风速的影响,但是β值均大于1.1;而对于机械风β值要达到典型自然风数值(1.5左右),平均速度必须衰减到0.25m/s以下,此时平均风速已经在人体表面自然对流流速范围内,对人的感觉基本没有影响。因此,可以认为在人体明显有感觉的风速域内,自然风与机械风的功率谱指数β值有着明显的差别,分界点是1.0～1.1。机械风在送风出口处,气流受到室内周围空气的影响较小,而受到机械送风装置自身高频噪声影响较大,气流具有典型的机械风特征,高频能量相对较高,β值小于1。随着射流距离的增大,气流不断与周围空气发生作用,气流三维涡旋运动明显加强,谱特征逐渐接近于典型自然风的特征。此外,尺度上的变化也是一个重要的影响因素,湍流的大涡尺度主要由边界条件所决定。各种工况的自然风的能量均集中在低频大涡区,具有较大的涡旋运动尺度。机械风在射流初始阶段,大涡尺度接近于送风口尺寸,而随着气流的不断扩散,射流边界条件逐步发展到整个房间,大涡运动尺度明显增加,导致气流紊动特征向自然风特征迁移。谱特征的不同,是机械风和自然风给人不同舒适度的重要原因之一。在空调房间中,虽然工作区(即空调被控区)的机械风气流功率谱特征接近于自然风,但由于平均风速过低,在人体表面自然对流流速范围内,对人没有影响。而设计规范中严格规定空调工作区的气流流速,目的也是为了避免风速过高的机械风气流脉动特征给人体带来的不适感。因此,如果能够改进机械风的送风方式,使工作区的气流在平均风速较高条件下也能达到自然风的谱特征,那么对改善空调室内环境质量、减少空调能耗将具有重要的意义。5机械风和自然风中的值分布本文对在多种建筑环境中的自然风和多种类型机械风气流的谱特征进行了分析,可得出以下结论。1)在人体有感的风速域中,自然风与机械风的功率谱指数β值有着显著的差别,β值的分界点是1.0～1.1。2)自然风的β值在人敏感的频域范围内数值一般处于1.1～2.0之间,在不同环境下有所区别。机械风在送风口处的β值在人敏感的频域