方形吸顶散流器平送风非等温射流特性研究

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3.0 牛悦 2025-01-09 5 4 3.88MB 83 页 15积分

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摘要

随着社会经济的发展和人民生活质量的提高，人们工作和生活环境的舒适性

要求也不断提高，而空调使用的高能耗性，使得其能源节约越来越受到关注。室

内气流分布和空调系统的效果对舒适性和空调的利用效率有着极为重要的作用。

对既有建筑来说，送风口及其射流特性是影响室内气流分布和空调系统效果的重

要因素。目前，针对单一类型的送风口，其射流规律在相关的手册或参考资料中

报道很少或叙述不够充分。本课题以校企合作的联盟计划研发任务为目标，将以

散流器作为研究对象，根据散流器的送风特点，在等温送风射流特性研究的基础

上，建立散流器非等温送风射流模型，研究其非等温射流特性。

论文首先根据吸顶散流器平送风射流特点和机理，建立了散流器非等温送风

射流模型，得到射流射程理论计算式，以及轴心速度和温度的分布规律，并分别

根据冬夏季送风不同特点进行了理论分析。论文在已有空气分布器等温性能实验

台的基础上，根据相关设计标准和产品样本资料，设计增添了冷热源和空气处理

机组等，搭建了空气分布器非等温性能实验台。所设计的实验台能满足合作企业

生产的大部分风口末端设备的实验要求。本文实验采用了万向风速仪来测量非等

温射流的风速和温度，利用均速管流量计测量系统的风量。

论文主要以方形吸顶散流器为研究对象，对论文所建立的冬季散流器平送风

非等温射流理论模型进行了冬季工况的验证，理论模型与实验结果吻合。实验表

明散流器送风中存在低压涡流区；理论公式计算获得的速度轴心轨迹与实验值基

本一致；由理论值计算获得的冲击点与实验值的最大误差为 0.07m；数学模型计

算射程值与实验值的误差基本在 10%以内。

实验测量了方形吸顶散流器冬季工况的非等温射流包络面。论文对不同规格

散流器的实验所得轴心速度及温度分布进行了无因次曲线拟合，结果表明散流器

射流的轴心速度与温度分布规律存在相似性，也验证了前人对散流器速度衰减系

数与温度衰减系数的研究成果。此外，论文对方形吸顶散流器的射流特性进行了

实验分析，射流的下降距离和扩散宽度均随喉部风速的增大而近似线性增大，散

流器喉部尺寸越大其扩散距离和下降距亦越大。方形吸顶散流器在实验工况内射

流的最大下降距为 0.83m，即气流在顶棚形可成良好的贴附射流。实验证明，散

流器射流扩散包络面上会出现一个凹点，喉部尺寸为 240×240mm 时的凹点出现

在离风口 0.7m~1.5m 处， 420×420mm 凹点则出现在 1.5m~2.0m 处。同时，方形

吸顶散流器的平均阻力系数与风口喉部尺寸呈良好的线性关系。

论文研究成果完善了方形吸顶散流器冬季工况的非等温射流特性研究，为工

程设计人员提供了实验依据，同时为进一步夏季工况的研究提供了理论基础。

关键词：方形吸顶散流器平送风非等温射流特性射程

III

ABSTRACT

With the development of economy and the improvement of people’s quality of

life, the comfort requirements of people’s working and living environment increase.

But the high energy consumption of air conditioning makes the energy conservation

more and more attention. The indoor air distribution and the effect of the air

conditioning system play a leading role in the comfort and air conditioning efficiency.

For a building, the air supply outlet is an important factor to the indoor air distribution.

But the jet theory for a single type of outlets is not described sufficient in the manual.

This paper will take the ceiling diffuser as the research object, according to

characteristics of the diffuser and isothermal air supply jet characteristic research, on

the basis of scattered flow of non-isothermal air supply jet model, studying the

characteristics of the jet.

The thesis establishes a theoretical model according to jet characteristics of the

ceiling diffuser and mechanism of the non-isothermal air supply jet diffuser, get the jet

range calculation formula, axial velocity and temperature distribution, and respectively

analysis the summer and winter model according to their characteristic. With the

relevant design standards and product samples, paper design and build the cooling &

heat sources and the air handling units in the existing air distribution performance test

bench. The laboratory meets most of air distributors manufactured by the Shanghai

Shinelong Air-Conditioning Co., Ltd. Wind speed testing device consists of universal

anemometer probe and the Agilent data logger.

Paper takes square ceiling diffusers as the research object to verify the theoretical

model of ceiling diffuser. Experiments show that Theoretical model is consistent with

the experimental result. There is a low-pressure vortex area in the air flow of ceiling

diffuser air supply. Theoretical formula to obtain the axial velocity trajectory with the

experimental data can also be a good match. Compared values calculated by the model

with experimental results, the maximum error of impinging point is 0.07m, and the

error of throws is within 10%.

Non-isothermal jet characteristics and envelopes of square ceiling diffusers are

obtained by experiments. Paper fits the axial velocity and temperature distribution

dimensionless curve of the different specifications diffusers. The results show that the

axial velocity and temperature distribution are similar, and also verified the results of

the previous study of axial velocity and temperature attenuation coefficient. The spread

and drop of square ceiling diffuser increase linearly with the increase of the wind speed.

The larger the dimension of a diffuser, the longer its spread and drop are. The

maximum drop of square ceiling diffuser is 0.83m in the experimental conditions, so it

is that the jet forms a good wall attachment jet under the ceiling. Experiments show

that jet diffusion in y direction enveloping surface will appear in a concave point, the

pits appear in the range of x = 0.7 m ~ 1.5 m when throat size is 240 * 240 mm, and

420 x 420 mm pits appear range is x = 1.5 m ~ 2.0 m. The average drag coefficient of

square ceiling diffusers is a good linear relationship with their outlet throat size.

Thesis research results improved square ceiling diffuser’s non-isothermal jet

characteristics research of winter conditions, provide an experimental reference for the

designers, at the same time provides a theoretical basis for the further study of its

summer conditions.

Key Word：Ceiling diffuser, Flat air supply, Non-isothermal, Jet

characteristics, Throws

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 课题的提出 .................................................... 1

1.2 送风口非等温射流理论研究现状 .................................. 2

1.3 散流器研究现状 ................................................ 4

1.3.1 国内研究现状 .............................................. 4

1.3.2 国外研究现状 .............................................. 6

1.4 本文研究内容 .................................................. 8

第二章射流原理及方形吸顶散流器平送风非等温射流数学模型建立 ......... 9

2.1 射流基本理论 .................................................. 9

2.1.1 射流的分类 ................................................ 9

2.1.2 非等温射流（浮力射流）的流动特性 ......................... 12

2.1.3 贴附射流 ................................................. 18

2.1.4 布辛涅斯克假定 ........................................... 19

2.2 方形吸顶散流器平送风非等温射流运动机理分析及数学模型建立 ..... 19

2.2.1 吸顶散流器的送风特点 ..................................... 19

2.2.2 吸顶散流器平送风非等温射流运动机理分析 ................... 21

2.2.3 吸顶散流器平送风非等温射流模型假设 ....................... 22

2.2.4 吸顶散流器平送风非等温射流数学模型建立 ................... 23

2.3 小结 ......................................................... 30

第三章空气分布器非等温送风射流特性实验系统设计 .................... 31

3.1 空气分布器实验室介绍 ......................................... 31

3.1.1 空气分布器实验室送风系统 ................................. 32

3.1.2 空气分布器实验室测试系统 ................................. 33

3.2 空气分布器非等温送风射流特性实验室冷热源系统的设计 ........... 35

3.2.1 冷热源容量计算及设备选型 ................................. 35

3.2.2 空气处理机组的设计 ....................................... 39

3.2.3 冷热源系统 ............................................... 46

3.3 小结 ......................................................... 47

第四章方形吸顶散流器平送风非等温射流理论模型验证及射流特性研究 .... 49

4.1 实验方案设计 ................................................. 49

4.1.1 实验对象和目的 ........................................... 49

4.1.2 实验内容和工况 ........................................... 50

4.1.3 实验测点布置和实验仪器 ................................... 51

4.2 方形吸顶散流器平送风非等温射流数学模型验证实验 ............... 56

4.2.1 散流器送风参数均匀性和稳定性及室内热环境实验结果与分析 ... 56

4.2.2 方形吸顶散流器平送风非等温射流数学模型验证结果及分析 ..... 60

4.3 方形吸顶散流器平送风非等温射流特性实验及分析 ................. 61

4.3.1 方形吸顶散流器轴心速度和温度特性实验结果及分析 ........... 61

4.3.2 方形吸顶散流器射流边界特性实验结果及分析 ................. 64

4.3.3 方形吸顶散流器动力特性实验结果及分析 ..................... 67

4.4 方形吸顶散流器非等温射流模型应用及特性研究分析 ............... 68

4.5 小结 ......................................................... 70

第五章结论与展望 .................................................. 72

5.1 结论 ......................................................... 72

5.2 有待继续研究的内容 ........................................... 73

参考文献 ........................................................... 75

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 78

致谢 ............................................................. 79

第一章绪论

1.1 课题的提出

随着我国经济的发展，人民生活质量的提高，人们生活环境的舒适性越来越

受到重视，许多工业生产工艺对环境的要求也很高。空调是对房间（或封闭空间、

区域）内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒

适或工艺过程的要求的设备。制冷空调行业是近三十年来我国发展最快的行业之

一，从人民的日常生活到国民经济各部门，从传统产业到高新技术产业，从国防

科技到航空航天，到处都离不开制冷空调技术和设备。但是，在倡导节约能源的

今天，空调行业的节能也备受关注，最近在烟台举行的全国暖通空调制冷学术年

会上，中国建筑科学院建筑环境与节能研究院院长徐伟表示，我国社会总能耗约

30%来源于建筑，暖通空调系统能耗占建筑总能耗约 50%，占社会总能耗约 15%[51]，

暖通空调是建筑领域节能减排的重要专业，目前正处于快速发展期，对节能减排

的作用不容低估。

为此，这就要求暖通空调行业在保证舒适、健康的前提下，追求空调系统节

能的最大化。对于既定建筑，空气分布末端的特性将影响空调或通风房间的气流

分布，而室内气流分布对房间工作区的空气质量及热舒适性有很大影响，从而短

期或长期的影响空调的效果。研究表明，影响室内给定点的空气流速和温度的主

要因素是[1]：①送风口出口风速，当选择该风速的大小时，还应该考虑产生的噪

声；②送风温差；③送风口的几何形状和位置；④回（排）风口的位置；⑤房间

的几何形状；⑥房间的表面温度，地表面材料；⑦各种热源(如人体)的位置、分

布和散热量；⑧室内的扰动(如人的活动，开窗通风等)。

从以上影响因素可以看出，对于既有建筑来说，送风口及其射流特性对室内

气流分布，乃至空调系统的效果都起到至关重要的影响。随着暖通行业的发展，

风口末端的种类越来越丰富，设计和生产水平也都有了很大的提高，但同时产生

了新的问题：对于不同类型的风口，其射流规律是不同的，针对单个类型的送风

口射流的规律在相关的手册或参考资料[2]中没有或叙述不够充分，使得暖通设计

人员在设计过程中显得无据可依。

目前，送风口按形式分类主要有：百叶风口、散流器、喷口、条缝型风口、

旋流风口、孔板风口、专用风口等[3]。其中，应用最广泛的是散流器，散流器又

可以分为圆形散流器、方形散流器、矩形散流器、圆盘形散流器等。散流器作为

空调工程中常用的一种送风末端设备，在存在上述问题的同时还具有自身的一些

方形吸顶散流器平送风非等温射流特性研究

特点。散流器安装在吊顶上，主要以贴附射流的形式送风，但关于散流器射流轴

心速度、扩散距离、下降距等射流特性规律的研究，目前较少见到有关的报道，

或缺乏相关的技术数据。并且现有极少的资料数据也大多是在等温的前提条件下

分析得出，而实际使用中，散流器送出的空气和房间的环境大部分都是有温差的，

即散流器送出的气流是非等温的，使得现有的资料在实际应用中产生了偏差。

本课题针对上述一些问题，在上海显隆通风设备有限公司的合作下，搭建了

空气末端分布器性能测试试验室，将能够满足大部分风口的特性实验之用。课题

选择散流器中应用广泛的方形散流器作为研究对象，在课题组先前研究的方形吸

顶散流器等温送风气流特性研究的基础上，根据散流器的送风特点，建立散流器

非等温送风射流模型，以求解散流器送风射程相关参数，并通过实验对其进行验

证；实验获得不同尺寸方形散流器非等温工况下不同喉部风速的射程、下降距、

扩散距离和压力损失等气流特性参数及其射流规律，为工程师在设计或施工中提

供科学的依据。

1.2 送风口非等温射流理论研究现状

从上世纪 30 年代，很多的研究者开始对送风口射流运动的规律进行研究以来，

获得了丰硕的研究成果，为以后空调系统的设计提供了参考数据，同时也为送风

口的射流规律研究提供了大量的经验。

黄晓瑞等[4]针对侧墙上置风口置换通风方式，采用数据采集系统和热线风速

仪分别对室内温度场和速度场进行测量，利用送风射流无因次轴心速度变化曲线，

分析上置置换风口的贴壁射流与冲击射流组合的非等温射流的发展规律，射流为

冷射流，竖向受浮力和惯性力共同作用为贴壁射流起加速作用，随着贴壁射流轴

心温度升高加速作用减弱，射流到达地面时对地面形成冲击射流，随着射流蔓延，

动量逐渐减小，水平方向速度值减小，但仍能够到达送风区域。文章提出风口结

构对通风效率是有影响的，并在送风速度与热源强度双因素耦合作用下分析其对

通风效率的影响。

赵彬等[5]简化了百叶风口射流的边界条件，对于出流方向复杂的百叶风口用

N个简单开口代替，建立 N点风口模型，在此基础上对不同工况下的百叶风口射

流进行了实验研究和数值模拟，并就轴心速度衰减规律及射流截面面流速分布等

进行了实验与模拟的对比。结果表明，对于一种均匀出流方向时的百叶风口采用

N=1 模拟和百叶风口叶片对开时采用 N=3 的模拟，能够得到与实验数据基本相同

的结果，说明保证一定因素条件（如质量和动量流量）不变的情况下复杂送风口

第一章绪论

的出流可以用简单开口的出流来替代。

高军等[6]基于单股射流模型和动量守恒，对大空间使用的喷口多股平行非等

温射流模型中射流气流之间的交叉几何关系进行了理论研究，讨论了分层空调射

流气流速度重合的特性，在此基础上，提出了实际速度和平均速度重合的修正系

数，建立了对于多股平行射流的非等温流量计算模型，并推导了相应的计算公式，

编制了公式相应的计算程序计算了在水平距离 X处多股平行非等温射流的平均速

度重合修正系数及射流流量。

周志仁等[7]对大空间空调中射流理论的适用性问题做了研究，对大空间的喷

口进行 CFD 模拟，与半经验射流理论的计算结果进行对比，结果表明：对等温自

由射流下的 CFD 模拟结果与公式计算值一致；而对于非等温受限射流 CFD 模拟

结果与半经验公式得出的结果不太一样，模拟的结果受喷口安装形式不同、回风

口位置不同、室内热源发热量的不同的影响很大。在实际工程中，大空间多使用

平行喷嘴形成多股平行射流，其扩散特性更复杂，上述影响因素的影响也会影响

实际的结果。

刘金平等[8]对地板送风终端单元空调房间的速度场和温度场进行了研究，作

者在不考虑相对湿度影响的情况下，利用 PHOENICS 软件对采用地板送风终端单

元的空调房间的射流进行了数值模拟，并通过实验对所用模型的适用性加以验证，

得到了空调房间的速度场和温度场分布，结果表明：出口风速对房间空气流速场

影响不大，对房间温度场影响较大；对房间速度场的影响主要在送风口附近，对

温度场的影响主要在垂直平面上出口风速越大温度梯度就越大，而对水平平面的

温度分布影响较小。

Guangyu Cao 等人[9]对二维可形成冷贴附射流的喷嘴进行了特性研究，通过

对二维冷却贴附射流的喷嘴进行实验，利用实验数据推导出可以预测贴附冷射流

轴心速度衰减规律的叠加模型。实验主要集中在贴附射流的核心区域，实验结果

表明：在出口高度为 20 mm 和30 mm，出口速度为 0.50m/s、1.00 m/s 和2.00 m/s

时，雷诺数为 667–4000 范围内，模型能准确的预测最大速度衰减。

高雪垒[10]的学位论文研究了就地安装送风口的低速曲面射流特性，论文将低

速曲面风口射流分为初始段和主体段，通过测定送风气流风速、温度，分析低速

曲面风口送风射流的初始段和主体段结构特性，如气流边界、初始段长度、主体

段气流高度，分析了不同风量、送风温差等因素对这些结构特性的影响。实验结

果表明，在实验条件下，初始段长度一般为 0.6m 到1m，主体段高度一般在

0.18m-0.23m。论文同时分析得出了主体段低速曲面射流变化规律，包括气流风速、

温度垂直方向分布规律和沿气流运动方向变化规律。此外，还对两股送风气流的

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