圓柱型置換通風(fēng)的鹽水模型

圓柱型置換通風(fēng)的鹽水模型

0置換通風(fēng)特點影響人體舒適性的因素置換通風(fēng)利用了空氣密度差形成的冷氣減少和熱氣上升的現(xiàn)象，從而達到了通風(fēng)和空調(diào)的目的。通過位于室內(nèi)下部的風(fēng)出口，直接將風(fēng)風(fēng)速和小高差直接引入室內(nèi)區(qū)域。風(fēng)風(fēng)速降低后，氣流沿地面擴散，并以頂部開口。這是通過加熱形成的上升氣流和后續(xù)空氣的促進作用實現(xiàn)的。人們?nèi)菀渍J為這樣的氣流對人體舒適感不會有太大影響,送風(fēng)口對氣流速度場的影響也是微不足道的。但是實際并非如此,這種稍冷的氣流離開出口下沉于地面,其本身是分層的,最底層速度最大,溫度最低,易使人產(chǎn)生風(fēng)感,影響舒適。這個速度是與送風(fēng)口形狀和結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的。貼地氣流層的速度有時可能大于風(fēng)口的面風(fēng)速,而且這種現(xiàn)象甚至出現(xiàn)在距風(fēng)口1.0m以上處。由于傳熱與傳質(zhì)是同時發(fā)生的,所以風(fēng)口特性對溫度分布也必然會有一定影響。由于置換通風(fēng)的特點導(dǎo)致了它與傳統(tǒng)的混合送風(fēng)在設(shè)計參數(shù)選擇上是不一樣的?，F(xiàn)在對置換通風(fēng)的設(shè)計參數(shù)規(guī)定的范圍過窄,溫差2~4℃,送風(fēng)速度v=0.2~0.5m/s,在實際的工程中可能較難實現(xiàn),這也就限制了置換通風(fēng)的使用推廣。1實驗原理和實驗裝置1.1u—實驗系統(tǒng)本文將采用鹽水模型實驗方法觀測和研究不同的圓柱型置換通風(fēng)口對置換通風(fēng)形成效果的影響,以及形成置換通風(fēng)的條件。參考文獻中對置換通風(fēng)鹽水模型的相似性進行了分析,指出只要保證兩種運動的Fr數(shù)相等,則兩個現(xiàn)象相似。由于Fr數(shù)與Ar數(shù)為倒數(shù)的關(guān)系,且在供熱空調(diào)領(lǐng)域多使用Ar數(shù),所以本文采用Ar數(shù)相等作為形成兩個現(xiàn)象相似的條件。定義Ar數(shù)為:式中:u—風(fēng)口的出口風(fēng)速△T—送風(fēng)溫差實驗裝置如下圖所示:圖中,1~4閥門,5水箱,6有機玻璃罐,7圓柱型置換通風(fēng)口,8水泵,9變頻器。水箱5為鹽水箱,鍍鋅鋼板焊接而成的,其大小為1.25m×1.25m×1m。有機玻璃罐6直徑為1m。裝置中的管道除了泄水管之外全部采用DN65的PVC管。實驗采用流動顯示技術(shù),水箱5中為紅顏色的鹽水,玻璃罐6中為清水。實驗時打開閥門1、2,關(guān)閉閥門4,使經(jīng)過染色的鹽水從管路中流入玻璃罐6中。實驗中通過改變變頻器的頻率從而改變水泵的轉(zhuǎn)速和通過調(diào)節(jié)旁通管上的閥門3兩者的聯(lián)合作用來實現(xiàn)鹽水水量的調(diào)節(jié)。在每次做完實驗后可關(guān)閉閥門1、2,打開閥門3、4將玻璃罐6中的鹽水重新抽回水箱中,從而使鹽水重新利用。當玻璃罐6中的鹽水的水位降到風(fēng)口7頂部以下時,打開玻璃罐6底部的泄水閥,將剩余的鹽水排走。在實驗初始的階段調(diào)節(jié)鹽水密度的時候可關(guān)閉閥門2、3,打開閥門1、4使鹽水箱的鹽水攪拌均勻,使鹽水箱中的鹽水密度均勻。1.2實驗開孔情況的分析本文主要研究的是置于自由空間的圓柱型置換通風(fēng)口的風(fēng)口特性。研究其在不同的高度、開孔大小和開孔率時對置換通風(fēng)的影響。本實驗所采用的風(fēng)口是由1mm厚的鍍鋅沖孔網(wǎng)板加工而成的,所采用沖孔板的開孔情況為梅花形即60°角排列。其加工圖及開孔情況如下:圖中H、c、d的取值以及開孔率如下表,本次實驗中所有風(fēng)口的D均為160mm。為保證出風(fēng)均勻在風(fēng)口的中心部位設(shè)置了一個的圓錐形布袋,增加出風(fēng)阻力。1.3大高差風(fēng)速對置換通風(fēng)密度差的影響參考文獻指出在Ar>4的時候可形成置換通風(fēng),本次實驗所采用的Ar數(shù)的范圍在2.5~5之間,并在實驗中根據(jù)實驗情況對設(shè)定的Ar數(shù)進行調(diào)整,找出形成置換通風(fēng)時的臨界的Ar數(shù)。由于現(xiàn)行的置換通風(fēng)的設(shè)計標準中對于溫差的規(guī)定范圍過小,所以本文實驗的設(shè)計中適當加大了送風(fēng)溫差,研究大溫差小風(fēng)速對置換通風(fēng)的影響。由定壓過程的狀態(tài)方程假定送風(fēng)溫差為4~8℃,由上式計算可得鹽水的密度差范圍為15kg/m3~30kg/m3。本次實驗對每個風(fēng)口進行了15kg/m3,20kg/m3,25kg/m3,27kg/m3,30kg/m3共五個密度差的實驗。根據(jù)密度差和流量的不同組合得出不同的Ar數(shù),根據(jù)氣流下沉的情況來判斷置換通風(fēng)的形成效果,最終找出形成置換通風(fēng)的臨界Ar數(shù)和不同風(fēng)口對置換通風(fēng)影響的規(guī)律。2沉氣流距開口邊緣的距離對實驗中的每個風(fēng)口在高度與直徑比值為0.25、0.35、0.5、0.6和0.75的位置上進行的Xd/D的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,(其中Xd為下沉氣流距風(fēng)口邊緣的距離,見圖5)。由此來描繪出風(fēng)氣流的下沉情況。根據(jù)每次實驗的密度差和流量計算出每次實驗的Ar數(shù),在相對高度為0.5處的Xd/D≦0.32時氣流下沉效果明顯,可形成置換通風(fēng)。經(jīng)過整理可以得到形成效果較好的圓柱型置換通風(fēng)口可以在Ar>3.2的時候即可形成置換通風(fēng)。而對于形成效果較差風(fēng)口要在Ar>4.8的時候才能形成置換通風(fēng)。不同形式的置換通風(fēng)口對置換通風(fēng)形成效果也有影響。2.1置換通風(fēng)的形成目前對置換通風(fēng)的設(shè)計參數(shù)規(guī)定的比較嚴格,在置換通風(fēng)相關(guān)的規(guī)范中規(guī)定了送風(fēng)溫差(2℃~4℃)和送風(fēng)速度(0.2m/s~0.5m/s),而在實際工程中要嚴格達到這兩方面的規(guī)定是不容易的,這也限制了置換通風(fēng)的應(yīng)用。但是從實驗數(shù)據(jù)的整理,只要達到所要求的Ar數(shù)的值即可形成置換通風(fēng)。下面的兩幅圖是兩個在達到形成置換通風(fēng)條件的Ar數(shù)時的氣流下沉效果圖。從圖6、7可以看出,在不同的密度和流量的情況下只要Ar數(shù)保持相等,各條氣流的下沉曲線之間相互交織,形成置換通風(fēng)的效果基本相當。由此在置換通風(fēng)的設(shè)計規(guī)則中可以適當擴大范圍,以Ar數(shù)作為指標,而不是簡單地孤立地規(guī)定出口風(fēng)速和送風(fēng)溫差。從實驗數(shù)據(jù)和上面的圖也可以看出不同的風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件以及形成效果也是不一樣的,由此風(fēng)口的特性對置換通風(fēng)效果產(chǎn)生了一定的影響2.2密度差和ar數(shù)對置換通風(fēng)效果的影響本次實驗對于高徑比對置換通風(fēng)效果的影響比較是在2號風(fēng)口、5號風(fēng)口和8號風(fēng)口之間,這三個風(fēng)口的開孔面積都在0.0405m2左右,在相同流量的情況下三個風(fēng)口的出風(fēng)速度是一樣的,即在密度為一定的情況下只有高度對置換通風(fēng)有影響。實驗結(jié)果為對于風(fēng)口2號口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>4.8;5號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>3.5;8號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>3.3。由此可以看出風(fēng)口的高度不同形成置換通風(fēng)的條件不同。從上面的幾張圖可以看出在相同的密度差和相同Ar數(shù)的情況下,氣流下沉貼附效果最好的是200mm的風(fēng)口,而高度為250mm的風(fēng)口與高度為200mm的風(fēng)口相比氣流下沉曲線交織或者是相平行,也即兩個風(fēng)口的氣流的下沉效果相當,但是高度為250mm的風(fēng)口其形成置換通風(fēng)所需的Ar數(shù)略小于200mm的風(fēng)口。但160mm的風(fēng)口的氣流的下沉效果并不理想,但是當達到形成置換通風(fēng)所需的Ar數(shù)之后高度為160mm的風(fēng)口與高度為250mm差別不大。以上是在Ar數(shù)和密度差分別相等的情況下的比較結(jié)果。但是在實際應(yīng)用中可能只關(guān)心Ar數(shù)對形成置換通風(fēng)的影響,下圖僅是保證風(fēng)口的Ar數(shù)相等條件下的比較結(jié)果:上面的幾組比較結(jié)果與前面的結(jié)果相同。但是從這幾組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)當Ar>5之后,高度為200mm的風(fēng)口的氣流下沉效果明顯好于高度為250mm的風(fēng)口,但是高度為160mm的風(fēng)口不管在何種情況下氣流的下沉效果都不能優(yōu)于高度為200mm的風(fēng)口。由此可見在實際工程中風(fēng)口的高度與直徑的比值至少要大于1,推薦使用瘦高形的置換通風(fēng)口。高度為200mm的風(fēng)口形成置換通風(fēng)所需的Ar是3.5,高度為250mm的風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件是Ar數(shù)大于3.2,而高度為160mm的風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件Ar數(shù)要大于4.8。由此可以看出,在高度與直徑的比值在1和1.25之間,置換通風(fēng)的形成效果有一個突變,在1.25之后形成的Ar數(shù)變化不是很大。2.3對于形成置換通風(fēng)的條件的確定孔徑大小的影響是分兩組比較的,第一組是在3號風(fēng)口、4號風(fēng)口和6號風(fēng)口之間進行的。這三個風(fēng)口的開孔面積都在0.0335m2左右,在相同的流量和相同的密度的情況下,由于風(fēng)口的高度一樣,在這種情況下的Ar數(shù)也是一樣的,此時影響置換通風(fēng)的效果就只剩下孔徑。通過比較風(fēng)口的氣流下沉效果來選出效果較優(yōu)的風(fēng)口。實驗結(jié)果對于4號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>4.5,6號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>3.5,3號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>3.2。比較結(jié)果見圖13至圖15:其中工況六:3號口和4號口,密度1015kg/m3,流量9m3/h;工況七:3號口和6號口,密度1027kg/m3,流量15.5m3/h;工況八:4號口和6號口,密度1020kg/m3,流量8.4m3/h。從第一組的數(shù)據(jù)比較可以看出,在流量和密度相等的條件下,3號口和6號口相比,3號口氣流的下沉效果要比6號口好,即在流量、密度和Ar數(shù)都相等的條件下,3號口氣流自風(fēng)口表面流出后,在下沉的過程中,氣流更加貼附于風(fēng)口表面。對于4號口和6號口這兩個風(fēng)口也存在這種情況。第二組是在5號口和7號口之間進行比較的,開孔面積為0.04m2左右。在相同流量和相同密度的情況下,由于兩個風(fēng)口的高度一樣,所以兩個風(fēng)口在這種情況下的Ar數(shù)也是一樣的,此時影響置換通風(fēng)效果的就只剩下孔徑的大小。通過比較兩個風(fēng)口的氣流下沉效果來選出效果較優(yōu)的風(fēng)口。實驗的結(jié)果對于5號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>3.5;7號風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件為Ar>4.5,見圖16及圖17。其中工況九:8mm×12mm和12mm×18mm密度1027kg/m3,流量13.4m3/h;工況十:8mm×12mm和12mm×18mm,密度1015kg/m3,流量11m3/h從圖16.17中可以看出,在流量和密度相等的條件下,8mm×12mm的風(fēng)口和12mm×18mm的風(fēng)口相比,在相同的密度、流量和Ar數(shù)的情況下其氣流的下沉效果差不多,在有些情況下8mm×12mm的風(fēng)口要比12mm×18mm的風(fēng)口氣流的下沉效果好。以上的情況是在兩個風(fēng)口均已達到形成置換通風(fēng)的條件,即在這種情況下孔徑的大小對形成置換通風(fēng)的影響是不大的。值得注意的是,兩者形成置換通風(fēng)的條件Ar相差很大。工況十一為5號口和7號口,Ar數(shù)為4.16左右時的工況。由圖18可以看出,5號口的氣流下沉效果要好于7號口的。對于工況十一,5號口已經(jīng)形成了置換通風(fēng),而7號口并未形成置換通風(fēng)。由此可見,當風(fēng)口的孔徑大到超過一定數(shù)值時,會對形成置換通風(fēng)的條件產(chǎn)生一定的影響。由于12mm的風(fēng)口形成置換通風(fēng)的條件已經(jīng)達到了4.5,在實際工程中不推薦使用這種形式的風(fēng)口。對于相同的開孔面積,孔徑越小的風(fēng)口,其形成置換通風(fēng)的效果越好。參考文獻4指出在Ar>4的情況下形成置換通風(fēng),則過于籠統(tǒng)。且如果要使Ar>4,若溫差為4℃時對于高度200mm的風(fēng)口,則出風(fēng)速度要小于0.0916m/s。若風(fēng)口高度為1200mm,要Ar數(shù)大于4,則風(fēng)口的出風(fēng)速度要小于0.224m/s,這在實際工程中是很難實現(xiàn)的。但是從實驗數(shù)據(jù)上可以看出,對于高度為200mm的風(fēng)口,形成置換通風(fēng)的條件為Ar>4的情況幾乎沒有。其中形成效果較好的3號風(fēng)口其形成條件僅為Ar>3.2。在這種情況下如果高度為1200mm,溫差為4℃其出風(fēng)速度為0.28m/s。由此可以看出,對于圓柱型置換通風(fēng)口,形成置換通風(fēng)的條件為Ar在3至4之間。3作為開孔形式的arx從上面的分析可以看出,置換通風(fēng)形成條件可以使用Ar數(shù)作為標準。但實驗中發(fā)現(xiàn),它還受風(fēng)口高度和開孔形式的影響?？紤]風(fēng)口的高度和開孔形式對形成置換通風(fēng)的影響,對Ar數(shù)進行修正,可使得用Ar數(shù)描述這一條件的方法更加完善。定義參數(shù)e=H/D,作為高度的修正。定義,作為開孔形式的修正。修正后的Ar數(shù)記為Ar*,對上式兩端取對數(shù)其中已知的為Ar、e和f,對上式假定Ar*,并進行線性回歸和顯著性檢驗,將得到的結(jié)果代入式(3)中得出Ar*,將假定的Ar*與計算得到的Ar*進行比較,如果二者的偏差小于設(shè)定值,則得到修正值A(chǔ)r*。如果不符合,將計算得到的Ar*作為初始值,繼續(xù)計算,直到最終二者的偏差小于設(shè)定值。經(jīng)過計算所得到的Ar修正值的關(guān)系式為:將各風(fēng)口的數(shù)據(jù)代入得到,形成置換通風(fēng)的條件為:4置換通風(fēng)的設(shè)計本文采用鹽水模型對不同的圓柱型置換通風(fēng)器進