基于多股热羽流作用下的大空间水平射流运动模型研究

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3.0 牛悦 2025-01-09 9 4 4.6MB 94 页 15积分

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摘要

传统的射流轨迹计算公式是在理论分析和实验基础上得出的半经验公式，没

有考虑室内热羽流对射流轨迹的影响，而目前在高大空间建筑中，由室内人员及

设备形成的热羽流广泛存在，势必对室内气流组织的设计产生重大影响。对室内

热羽流的运动特性进行研究，分析其对空调水平射流的影响规律，对高大空间建

筑室内气流组织设计以及热舒适性方面的研究都有重要的理论和现实意义。因此，

本文对多股热羽流作用下的大空间水平射流进行理论建模和模型实验分析，具有

实用价值。

论文首先对热羽流运动机理进行梳理及分析，梳理了目前比较常用的点源羽

流运动控制方程的建立及求解方法，并延伸到实体热源，针对圆板热源和受迫羽

流，介绍了虚拟点源修正法；在总结多股羽流相互作用理论基础上，建立了两股

等羽流和两股不等羽流混合成单股轴对称羽流的速度叠加修正系数，讨论修正系

数的影响因子。

论文建立了多股热羽流作用下的大空间水平射流运动机理模型。提出了单股

羽流与单股射流相遇时间与相遇面，得出了相遇时间与热源热量成正比，相遇面

高度与热源热量无关，只与射流喷口与热源间距有关的结论；建立了羽流与射流

相互作用参数β，并对其进行讨论分析；建立了单股羽流、两股等羽流以及两股不

等羽流作用下的射流无因次轨迹方程，并以实际算例对方程进行分析。两股等羽

流对射流轨迹的影响与同热量的单股羽流对射流轨迹的影响效果基本相同；两股

不等羽流对射流轨迹的影响介入两单股羽流之间，且热源热量较大者占主导地位。

论文利用模型实验，验证理论模型的正确性和可靠性。以上海国际体操中心

为原型，取几何比例尺

0.1

c

，搭建模型实验台，进行了 25 个工况实验。模型实

验结果表明，实验结果与理论分析吻合良好；通过对射流轨迹模型影响因素进行

分析后发现，羽状流的浮升力对射流轨迹的作用随着羽流间距的增大而减少，增

大羽流间距可以适当减少羽状流对射流运动的干扰；羽流放置位置靠近射流初始

段可以适当的减少羽流对射流运动的干扰；增大射流的送风高度，可减少射流轨

迹受羽状流的干扰作用；增大射流的送风速度，射流的刚性增强，对羽状流浮升

力的对抗性增大，相对的对射流的干扰作用也就减弱。

本文利用理论分析和模型实验分析了大空间内两种不同流动特性的气流间相

互掺混、相互干扰的运动过程，发现多股热羽流对射流轨迹具有一定的干扰作用，

并提出增大羽流热源间距，减小射流喷口与羽流热源之间的距离，增大送风高度

和速度等措施，减少羽状流对射流运动的干扰作用，对高大空间气流组织设计具

有一定的参考价值。

关键词：多股热羽流射流轨迹方程相互作用机理模型模型实

验

ABSTRACT

Traditional jet trajectory formula is semi-empirical formula，which on the basis of the

theoretical analysis and experiments, did not consider the indoor thermal plume，while

room personnel and equipment formed thermal plume wide spread in the large space

building now, it is bound to have a significant impact on the design of the indoor air.

Researching and analyzing of indoor turbulent plume is theoretical and practical

significance of indoor air design and thermal comfort in large space building. Therefore,

it is practicality to analyze of theoretical modeling and model experiments with the

space level jet shares of plumes.

Comb and analyze the mechanism of thermal plume movement and the establishment

of the point source plume motion control equation and solving methods, and extends to

the real heat sources, introduce the virtual origin correction for the circular plate and

forced plume; Summarize the multiple plumes interaction theory, establish of two equal

plumes and two unequal plumes merging a single axisymmetric plume velocity

correction, discuss the impact factor of the correction.

While establish the large space level jet movement mechanism model of the multiple

plumes, propose a single plume and single jet of meet time and meet face and get the

time is proportional to the heat source, the meet face height is inversely proportional to

the heat source heat conclusions; Put forward and discuss the coalescing parameter β.

Single plume, two equal plumes and two unequal plumes dimensionless trajectory

equation and analysis to a practical example of the equation. Two equal plumes of the

trajectory jet with the same heat of single plume; two unequal plumes of the trajectory

jet is between the two single plume and the greater heat source is dominant.

Thesis as the prototype of the Shanghai International Gymnastic Center, the

geometrical scale

0.1

c

, to build a model laboratory bench and do 25 conditions

experiments. Model experimental results show that the experimental results and the

theoretical analysis are in good agreement. With analyzing of impact factors on the

plume buoyancy, the heat source spacing increases can reduce the plume interfere of the

jet trajectory; plume the rigid enhanced placement near from the jet nozzle can reduce

interference plume of jet movement; increase the height of the jet blast may reduce jet

trajectory plume interference; increase the speed of jet blast may reduce jet trajectory

plume interference, because the plume buoyancy confrontational increases, relative jet

interference will weaken.

In this paper, the theoretical analysis and experimental model analysis of the two

different flow characteristics of the large space airflow blended with each other, mutual

interference during exercise. The theoretical analysis and modeling experimental studies

demonstrated a multi-strand thermal plume obvious interference jet trajectory and

proposed increases plume heat source spacing near from the jet nozzle, increasing the

blast height and speed measures to reduce the plume on jet movement interference

effect on tall space air distribution design has certain reference value.

Key Word: multiple plumes, the jet trajectory equation, interaction,

mechanism model, model experiments

摘要

ABSTRACT

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

1.1 课题来源及意义 ............................................................................................. 1

1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2

1.2.1 空调非等温射流研究现状 ................................................................... 2

1.2.2 单股热羽流运动机理研究现状 ........................................................... 2

1.2.3 多股羽流混合研究现状 ....................................................................... 3

1.2.4 多相羽流的研究现状 ........................................................................... 4

1.3 论文的主要研究内容 ..................................................................................... 5

第二章热羽流运动机理梳理及分析 ......................................................................... 7

2.1 点热源形成的热羽流运动机理梳理及分析 ................................................. 7

2.1.1 点源浮力羽流运动控制方程的详析 ................................................... 7

2.1.2 点源浮力羽流运动控制方程的求解及算例详析 ............................... 9

2.2 面热源形成的浮力羽流运动机理梳理及分析 ........................................... 14

2.2.1 圆板热源分析 ..................................................................................... 15

2.2.2 虚拟点源修正 ..................................................................................... 16

2.3 受迫羽流运动机理梳理及分析 ................................................................... 17

2.4 多股羽流相互作用理论基础分析 ............................................................... 20

2.4.1 浮力羽流混合高度模型 ..................................................................... 20

2.4.2 混合羽流的运动控制方程 ................................................................. 22

2.5 建立多股羽流速度叠加修正系数 ............................................................... 24

2.5.1 两股等羽流情形 ................................................................................. 24

2.5.2 两股不等羽流情形 ............................................................................. 25

2.5.3 算例详析 ............................................................................................. 26

2.6 本章小结 ....................................................................................................... 28

第三章大空间空调水平非等温射流在多股热羽流作用下的运动机理模型 ....... 29

3.1 热羽流与空调射流相互作用现象分析 ....................................................... 29

3.2 大空间空调水平非等温射流应用概况 ....................................................... 29

3.3 水平非等温射流与热羽流相遇运动理论分析 ........................................... 31

3.3.1 水平非等温射流受力分析 ................................................................. 31

3.3.2 热羽流受力分析 ................................................................................. 34

3.3.3 单股热羽流与单股冷射流相遇时间与相遇面 ................................. 35

3.4 冷射流与热羽流相互作用模型 ................................................................... 36

3.4.1 模型的建立思路 ................................................................................. 36

3.4.2 冷射流与热羽流相互作用参数 ......................................................... 39

3.4.3 建立单股羽流作用下射流无因次轨迹方程 ..................................... 42

3.4.4 建立两股等羽流作用下射流无因次轨迹方程 ................................. 45

3.4.5 建立两股不等羽流作用下射流无因次轨迹方程 ............................. 46

3.4.6 射流轨迹特性简析 ............................................................................. 46

3.5 本章小结 ....................................................................................................... 49

第四章大空间多股热羽流作用下的空调水平射流运动模型实验研究 ............... 50

4.1 模型实验设计思路 ....................................................................................... 50

4.2 模型实验设计 ............................................................................................... 51

4.3 模型实验方案 ............................................................................................... 55

4.3.1 实验工况 ............................................................................................. 55

4.3.2 实验测点布置 ..................................................................................... 55

4.3.3 实验仪器 ............................................................................................. 58

4.3.4 实验装置设计及加工 ......................................................................... 61

4.3.5 实验前准备工作 ................................................................................. 62

4.3.6 实验流程 ............................................................................................. 63

4.4 射流轨迹实验结果分析 ............................................................................... 64

4.4.1 单股羽流作用下射流轨迹实验结果分析 ......................................... 65

4.4.2 单股羽流与单股射流相互作用参数实验结果分析 ......................... 68

4.4.3 两股等羽流作用下射流轨迹实验结果分析 ..................................... 69

4.4.4 两股不等羽流对射流轨迹的影响实验结果分析 ............................. 71

4.5 冷射流与热羽流相互作用影响因素分析 ................................................... 74

4.5.1 羽流间距 ............................................................................................. 74

4.5.2 羽流放置位置 ..................................................................................... 75

4.5.3 射流送风高度 ..................................................................................... 76

4.5.4 射流送风速度 ..................................................................................... 77

4.6 实验不确定度分析 ....................................................................................... 78

4.7 本章小结 ....................................................................................................... 80

第五章结论及展望 ................................................................................................... 82

5.1 结论 ............................................................................................................... 82

5.2 展望 ............................................................................................................... 83

参考文献 ..................................................................................................................... 84

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 88

致谢 ........................................................................................................................... 89

第一章绪论

1.1 课题来源及意义

随着社会经济水平的发展，人们对室内环境要求越来越严格，这就要求对空

调送风的室内气流组织进行一番探讨，怎么才能使空调送风以最合理的方式送入

室内，不仅能满足室内热舒适性要求还能达到节能的目的，特别是对大空间分层

空调的设计。近年来，随着上海世博会、北京奥运会的举办，掀起了各类建筑设

施建设的高潮，高大空间的空调气流组织设计正面临严峻的技术挑战。目前大空

间建筑普遍采用水平侧送的分层空调方式，以实现既保证工作区达到空调要求，

又减少能耗的目的。但在实际工程中，效果并不理想，主要是由于目前国内对非

等温气流组织问题缺乏理论和试验方面的研究，只能通过半经验公式进行套用，

这样也就忽略了很多问题，不仅不利于气流组织的分布，还达不到节能要求。

由室内热源形成的热羽流由于与环境存在密度差而产生浮升力，使热羽流沿

竖直方向运动，浮升力在热羽流运作中起支配作用。尤其是在具有发热量较大（人

员多、设备多）的大空间中，由这些热源形成的垂直方向热羽流及其浮升作用力

对水平射流的干扰以及射流与羽流的双向运动十分突出，以至于损坏或破坏射流

轨迹的刚性特征，从而无法实现射流的预定作用目的[1,2]。

随着高大空间室内电子或电热设备的增加，会产生羽状热流，其对空调水平

射流必将产生影响，会破坏射流的设计轨迹，妨碍冷射流的下降运动，这点已经

通过多次对各类大空间室内热环境现场实测证明，上海理工大学暖通所大空间课

题组[3,4]在经过多次、各类大空间建筑室内热环境现场实测后发现，热羽流运动

会妨碍空调非等温射流的下降运动，破坏射流的设计轨迹，导致空调冷量很难按

照预期设计方案送达人员活动区，并且随着热源的增大，这种影响也就越趋明显。

传统的高大空间分层空调系统的设计，多采用喷口送风的形式，如果不考虑室内

热羽流对空调冷射流轨迹的影响，送风射流到达不了设计区域，必将达不到室内

设计要求[5]。这种情况下，如果一味的增大冷量或增大空调冷射流送风量，一方

面增加初设成本，另一方面又会造成能源的极大浪费，显然与当前的“节能”国

策不符。因此，通过对室内热羽流的分析以达到对空调水平射流轨迹的研究具有

很强的现实意义。

基于多股热羽流作用下的大空间水平射流运动模型研究

1.2 国内外研究现状

1.2.1 空调非等温射流研究现状

对空调射流的研究起源较早，计算大都是采用理论分析与现场实测结合推导

出的半经验公式，一般的空调设计手册都推荐这种方法，综合起来主要分为以前

苏联学者阿勃拉莫维奇为主和以美国学者 Alfred Koestel为主的两种计算体系[6]。

欧洲一些发达国家及日本编制的空调设计手册也基本上是采用这种方法，只是改

变其中的一些经验系数。这些计算方法极大的方便了空调系统的设计，但也普遍

存在一个问题，就是精确性不够，没有考虑室内热羽流对空调送风射流的影响。

目前的空调送风射流大多属于多股非等温受限湍流射流运动，这方面的研究

主要集中在射流运动轨迹、速度分布等特性上。清华大学朱颖心教授带领的课题

组[7]认为气流紊动特性是影响建筑热环境和人体舒适性的重要因素之一，并对自

然风和机械风的气流紊动特性进行了频谱分析。

西安建筑科技大学李安桂教授的课题组[8]对典型送风口射流流型可视化及

紊流系数进行了实验研究。

哈尔滨工业大学高甫生教授[9]带领的科研团队采用数值分析手段对大空间

分层空调多股平行非等温射流的重合特性进行了速度重合修正。

上海理工大学王昕老师[10]在研究工作中，将室内热源简化为单股点热源，

对由点热源形成的单股恒定热羽流与单股射流的相互运动进行了初步实验，发现

热羽流对横向冷射流的干扰甚至破坏作用明显，射流惯性力与热羽流浮升力的耦

合作用是影响横向射流轨迹发生偏移的主要原因，并对受单股热羽流作用下的单

股射流进行了速度和轨迹修正，而多股热羽流对射流轨迹的影响还有待进一步研

究。

综上，对空调射流的研究现状已经很成熟了，包括射流轨迹以及多股射流相

互作用问题，但是目前的研究都没有考虑室内热羽流的情况，特别是室内存在多

股热羽流的情况，本文正是对这一问题进行研究，建立多股热羽流作用下的空调

水平射流模型。

1.2.2 单股热羽流运动机理研究现状

在对热羽流运动机理的研究上，影响最大的当推 Morton, Taylor & Turner

(1956)[11]经典羽流理论。在稳态均匀环境下建立不可压缩点源羽流运动控制方程，

提出假定，建立热羽流质量、动量、能量守恒方程，得到热羽流半厚度、轴心速

度与折算重力加速度三个描述热羽流运动的基本参数。

在此基础上，很多学者对热羽流进行了更深一步的研究，Woods(1992)[12]认

第一章绪论

为可以在分层环境中得到羽流运动控制方程，进而求得羽流半径、轴心速度和密

度三个特征参数。

Rooney &Linden (1996) [13]和Woods (1997) [14]在详细分析了可压缩羽流的运

动机理之后，得出可压缩羽流的半厚度、轴心速度与折算重力加速度三特征参数

也可以通过计算得到。

Scase,Caulfield,Dalziel & Hunt(2006)[15]再次丰富了 Morton, Taylor & Turner

(1956)研究成果，在其基础上增加假设，得到热羽流浮力通量、质量通量和动量

通量运动控制方程，并给出其在稳态均匀环境下的近似解。

Hunt,G.R.&Kaye (2001)[16]在上述理想羽流研究的基础上，考虑实际情况，将

热羽流分为两大类：起始动量为零的纯羽流和具有非零起始动量的受迫羽流，在

分析受迫羽流时，首次提出了虚拟点源修正的概念，指出通过虚拟源的修正可以

把受迫羽流高程 z上的动量通量、浮力通量和质量通量用一个虚拟源上的纯羽流

来近似表达，并给出了经验数据修正、点源修正、射流长度修正和初始值修正四

种修正方法。

在上述稳态羽流研究的基础上，Batchelor(1954)[17]考虑了非稳态的情况，定

义了均匀环境中，羽流的质量通量、动量通量和浮力通量与时间的关系：

qtzFtzMtzQ  ,,

，并给出了点源羽流运动控制方程与时间的相关

解，得出点源浮力羽流的半径与时间没有关系，羽流轴心速度与时间成反比关系，

羽流密度与时间的平方成反比关系的结论。

我国学者董志勇[18]在《射流力学》中，对热羽流进行全面、透彻的分析，

用积分法分别对点源羽流和平面羽流的流动特性进行分析，运用流体力学的连续

性方程和动量守恒原理，推导出热羽流特征参数的表达式，同时用量纲分析法给

出热羽流的时均特征参数--轴心速度，并给出了羽流不变量和羽流卷吸率的相关

表达式。

赵鸿佐[19]在《室内热对流与通风》中，把经典点源理论运用到工程应用中

的面热源和体热源这些实体热源上，给出了面源和体源的实用计算式，并讨论热

源对室内热分层流动和室内热负荷分区的影响。

综上，我国学者对热羽流的研究还很少，更多的是对国外学者理论研究的一

些总结和归纳，机理研究尚浅。

1.2.3 多股羽流混合研究现状

对于多股羽流混合与相互作用问题，国内外也有很多学者进行了研究[20,21]。

Brahimi & Doan-Kim-Son (1985)[22]通过实验用温度探头和风速仪测量湍流

羽流混合过程温度和速度，观察羽流从相互作用开始到完全发展成单一的自相似

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