方形吸顶散流器平送风等温射流特性研究
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I
摘 要
空调末端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。国
内厂家从上世纪七十年代末开始生产定型空气末端至今，风口的种类、数量、材质等
方面日趋丰富，设计和生产有了很大的提高，但也带来了问题：不同的风口类型，其
射流规律和特性不同，相关资料中针对单个类型或新型送风口的射流资料没有或叙述
不够充分，使得暖通工程师在设计或施工过程中显得无据可依。基于此，本课题根据
相关标准和产品样本资料，设计能满足大多数风口实验需求的空气分布器性能实验室，
以获得风口的射流特性等数据。论文同时以方形吸顶散流器作为研究对象，建立其等
温平送风射流数学模型，以求解射程等相关参数，并通过实验测试 4种规格方形吸顶
散流器送风射流特性和包络面等，获得相关射流特性数据，以验证数学模型，研究其
射流规律。论文最后进一步利用数学模型对射流特性进行了理论计算及分析。
课题设计的实验室由送风系统和测试系统组成。送风系统满足顶送风、侧送风和
地板送风的送风需求，送风系统设计风量为 0~4000m3/h，满足大部分风口的实验要求。
测试系统包括系统流量测试装置和射流微风速测试装置。流量测试装置采用均速管流
量计，微风速测量装置采用万向风速仪探头和安捷伦数据采集仪。论文对测试装置进
行了标定实验及误差分析，误差分析得到风量测量总相对误差为±4.12%，微风速测量
总误差为±0.092m/s，满足实验测试要求。
课题根据吸顶散流器运动机理建立了吸顶散流器平送风数学模型。实验获得结果
与数学模型计算结果吻合，由模型计算冲击点距离与实验值最大误差为 0.10m；计算射
程值与实验值最大误差为 3.10%，而常用的经验式计算所得最大误差为 9.17%，与经验
式相比，数学模型计算的精度更高。应用数学模型计算并分析可得，方形吸顶散流器
射程主要受喉部风速和喉部尺寸的影响，射流轴心轨迹主要受安装距离的影响。
论文利用所建空气分布器实验室对方形吸顶散流器送风射流特性进行了实验研
究。实验结果表明：方形吸顶散流器出风射流截面由扁平逐渐变为半圆形，经历一段
空气的卷吸，射流截面又逐渐变为扁平。方形吸顶散流器射流扩散宽度和下降距均随
喉部风速的增大近似线性增大，喉部尺寸越大其扩散宽度和下降距亦越大。在实验工
况内射流的最大下降距为 0.87m，表明气流在顶棚形成良好的贴附射流。实验所研究的
4种方形吸顶散流器轴心速度无量纲值能近似地用同一个表达式描述，各实验点均在系
数a取值为 1.16、1.94 所计算的曲线范围内。方形吸顶散流器不同风速下的风口平均
阻力系数与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射流理论和射流数据资料，为进一步研究吸
顶散流器非等温射流理论研究提供了理论基础。
关键词：方形吸顶散流器 等温射流 平送风气流特性 射程 轴心速度
II
ABSTRACT
For an air-conditioning system, the air inlet is an important factor to the indoor air
distribution. Since the late seventies of last century, air distributor type, quantity and material,
produced by domestic manufacturers become increasingly rich, design and production has
also been greatly improved. But the jet theory for a single type of inlets is not described
sufficient in the manual. Based on this, paper will first design an air distributor performance
laboratory, according to relevant standards and product samples. Then take square ceiling
diffusers as the research object; paper establishes a theoretical model according to jet
characteristics of the ceiling diffuser to solve the throw and make an experimental study of
jet characteristics. Finally, the paper uses mathematical models to calculate and analyze jet
characteristics.
Laboratory is equipped with air supply system and testing system. There are three air
supply methods in the air supply system, including sidewall air supply，ceiling air supply and
floor air supply. The design air volume of supply system is 0~4000m3/h. Testing system is
mainly flow test device and the terminal wind speed testing device. Flow test equipment is a
Mean Velocity Tube Flowmeter, total uncertainty of which is ±4.12%. Wind speed testing
device consists of universal anemometer probe and the Agilent data logger, total uncertainty
of which is ± 0.092m/s.
Paper verifies a theoretical model to discribe the jet of a ceiling diffuser. Experiments
show that theoretical model is well consistent with the experimental results. Compared
values calculated by the model with experimental results, the maximu m error of impinging
point is 0.10m, and the maximum error of throws was 3.10%. The maximum error of throws
between values calculated by empirical formula and experimental value is 9.17%. Applicate
the mathematical model to analysis the jet, and we find that the throw of the jet is mainly
affected by wind speed and size of the air inlet, and the jet axis orbit is mainly affected by
installation distance from ceiling.
Jet characteristics and envelopes of square ceiling diffusers are obtained by experiments.
The results show that: Jet cross-section gradually changes from the flat into a semi-circular,
and through a period of air entrainment, the jet cross section becomes flat again.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 0.87m in the experimental conditions, so that the jet forms a good
wall attachment jet under the ceiling. The axial velocity measured by experiments through
III
dimensionless transformation, axial velocity dimensionless values of 4 square ceiling
diffusers are well described by a single straight line, all within the curve calculated in the a
as 1.16, 1.94. The coefficient of square ceiling diffusers resistance is a good linear
relationship with their dimension.
The research results improve the jet theory and jet data of square ceiling diffuser, and
provide a theoretical basis for further research about ceiling diffuser non-isothermal jet.
Key Word：Square ceiling diffuser, Isothermal jet, Jet characteristics,
Throw, Jet axial velocity
IV
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题的提出 .......................................................................................................1
§1.2 送风口等温射流研究现状 ...............................................................................2
§1.3 散流器特性及其环境实验研究现状 ...............................................................3
§1.3.1 国内研究现状 .........................................................................................3
§1.3.2 国外研究现状 .........................................................................................5
§1.4 研究目的与内容 ...............................................................................................6
第二章 吸顶散流器平送风射流数学模型建立 .............................................................7
§2.1 射流基本理论 ...................................................................................................7
§2.1.1 径向自由紊动射流 .................................................................................7
§2.1.2 贴附射流 .................................................................................................8
§2.1.3 冲击射流 ...............................................................................................10
§2.1.4 工程常用计算式 ...................................................................................11
§2.2 吸顶散流器平送风数学模型建立及分析 .....................................................14
§2.2.1 吸顶散流器送风的特点 .......................................................................14
§2.2.2 吸顶散流器平送风射流运动机理分析 ...............................................15
§2.2.3 吸顶散流器平送风数学模型建立 .......................................................16
§2.2.4 吸顶散流器平送风数学模型分析 .......................................................21
§2.3 小 结 ...............................................................................................................23
第三章 空气分布器性能实验室设计及参数测量 .......................................................24
§3.1 空气分布器实验室设计依据 .........................................................................24
§3.1.1 设计依据标准介绍 ...............................................................................24
§3.1.2 空气分布器实验室设计要求 ...............................................................25
§3.2 空气分布器性能实验室送风系统设计 .........................................................26
§3.2.1 空气分布器性能实验室设计方案 .......................................................26
§3.2.2 实验室送风系统设计 ...........................................................................28
§3.3 空气分布器性能实验室测量系统设计 .........................................................34
§3.3.1 系统风量测量装置设计 .......................................................................34
V
§3.3.2 系统风量测量装置性能实验 ...............................................................37
§3.3.3 射流微风速测量装置设计 ...................................................................40
§3.3.4 射流微风速测量装置性能实验 ...........................................................42
§3.4 实验室参数测量的误差分析 .........................................................................44
§3.4.1 间接误差传递理论 ...............................................................................44
§3.4.2 系统风量测量误差分析 .......................................................................46
§3.4.3 射流微风速测量误差分析 ...................................................................48
§3.5 小 结 ...............................................................................................................49
第四章 吸顶散流器平送风数学模型验证及射流特性研究 .......................................50
§4.1 实验方案设计 .................................................................................................50
§4.1.1 实验对象和目的 ...................................................................................50
§4.1.2 实验内容和工况 ...................................................................................51
§4.1.3 实验测点布置及测试方法 ...................................................................52
§4.2 方形吸顶散流器辅助段性能实验及数学模型验证 .....................................56
§4.2.1 辅助段性能实验结果及分析 ...............................................................56
§4.2.2 方形吸顶散流器送风气流数学模型验证实验结果及分析 ...............58
§4.3 方形吸顶散流器送风气流特性实验及分析 .................................................61
§4.3.1 方形吸顶散流器射流边界特性实验结果及分析 ...............................61
§4.3.2 方形吸顶散流器轴心速度特性实验结果及分析 ...............................66
§4.3.3 方形吸顶散流器动力特性实验结果及分析 .......................................69
§4.4 方形吸顶散流器平送风气流模型应用及特性研究 .....................................70
§4.4.1 不同参数下方形吸顶散流器射程特性计算及分析 ...........................70
§4.4.2 不同参数下方形吸顶散流器射流轴心轨迹计算及分析 ...................73
§4.5 小 结 ...............................................................................................................75
第五章 结论与展望 .......................................................................................................77
§5.1 结 论 ...............................................................................................................77
§5.2 有待继续研究的内容 .....................................................................................79
参考文献 .........................................................................................................................80
附件 .................................................................................................................................83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................85
致 谢 .............................................................................................................................86
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的提出
随着经济的发展和生产力的进步，人们越来越重视生活环境和节约能源。空
调设计的首要目的是为空调房间的工作或生活人员提供一个适宜的热舒适环境和
可接受的空气质量品质。在保证舒适、健康的前提下，追求系统节能的最大化。
对于安装空调系统的既定建筑，在短期或长期影响空调效果的因素中，空气分布
末端及其空气特性尤其值得关注。在空调或通风房间，适宜的空气分布是影响工
作区热舒适性和空气质量的重要因素。研究资料表明，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；②送风温差；③送风口的几何形状
和位置；④排风口的位置；⑤房间的几何形状；⑥房间表面温度；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)。
以上影响因素中，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。国内厂家从上世纪七十年代末开始生产定型空气末端至今，风口末
端的种类、数量、材质等方面均已日趋丰富，设计和生产都有了很大的提高，但
也带来了新的问题：不同的风口类型，其射流规律有所不同，相关的手册或参考
文献[2-3]中针对单个类型送风口或新型送风口的射流资料没有或叙述不够充分，使
得暖通工程师在设计或施工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，以吸顶散流器的应用最为广泛，吸顶
散流器又可以分为圆形吸顶散流器、方形吸顶散流器、矩形吸顶散流器、圆盘吸
顶形散流器等。吸顶散流器主要以贴附射流的形式送风，但关于散流器射流轴心
速度、扩散宽度、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，从而给设计或施工带来了不便。
本课题针对上述的一些问题，与风口末端生产厂商合作，将搭建空气分布器
性能测试实验室，所建实验室将满足大部分风口的射流特性实验。课题并将进一
步选择散流器中应用广泛的方形散流器作为研究对象，根据散流器的送风特点，
建立散流器等温送风的射流模型以求解散流器送风射程，并通过实验对其进行验
证；同时实验获得不同尺寸方形散流器等温工况下不同喉部风速的射程、下降距、
扩散宽度和压力损失等气流特性及其规律，为工程师在设计或施工中提供依据。
方形吸顶散流器平送风等温射流特性研究
2
§1.2 送风口等温射流研究现状
从二十世纪三十年代开始对送风口射流运动规律研究以来，大量的研究者为
之投入了大量的精力进行研究，并获得了丰富的研究成果，从而为以后空调系统
的设计提供参考资料和数据，同时也为送风口的研究提供了大量的经验。
对常规送风口的研究起始于上世纪四十、五十年代。G.L.Tuve[4]在1953 年通
过大量射流实验验证了：①射流轴心的速度规律；②射流充分发展紊流区的横截
面上的速度的曲线；③射流扩散角(采用热线风速仪和丝线的方法)，获得了轴向的
和辐射状的圆射流以及空气流沿壁面流动的实验参数。并提出了自由射流的定义，
即射流射入相对大的房间或自由大气空间内，没有壁面或物体干扰射流的流动进
而影响其原初射流流动是直线流动和不受震动及旋转流的影响。该文提出了射流
分区的概念，分析了第三区在工程应用中的重要性及其特点，指出该区的范围是
从距离送风口 25 倍直径到 100 倍直径的范围，但该范围由于送风口的形状、结构、
送风口的面积以及出口速度的不同而异。
在空气末端安装中，由于散流器等风口的布置常常贴壁。在这种情况下，由
于射流受到壁面限制，靠近壁面一侧不能卷吸空气，因而流速大、静压小；而射
流的另一侧流速小、静压大。从而使得射流弯曲最终贴附于壁面流动。研究表明：
当出风气流与壁面之间的喷射角度小于 40°并且气流与壁面之间的距离在 0.3m 之
内时，容易产生贴附射流，这样，射流截面的最大速度在靠近壁面处。贴附射流
对射流的射程和下降距均有影响[5]。
Alfred Koestel[6]采用能量和动量分析的方法分析几种型号风口出流的基本动
力学原理。提出了几种确定各种送风口射流特性的方法，并推荐一种简单的方法。
该方法可应用于各种型号和尺寸的自由喷口、格栅、可调风口以及孔板中。
萧震宇、翟捷[7]等人通过考虑射流的压力差建立分散射流模型分析半受限射流
的特性，从而进一步建立散流器等温送风的数学模型，数值求解得到了散流器在
不同半锥顶角下的射流轨迹，分析了锥体顶角对射流的影响。在锥角较小时，射
流轨迹呈橄榄形，射流线闭合形成内、外区。随着锥角的增大，射流出现散射；
当锥角为一定值时，射流呈直线，无任何偏转；随着锥角的进一步增大，射流散
射并发生偏转，甚至出现贴附现象。为了满足空调房间温度、速度均匀的要求，
论文中建议锥体顶角为 110°～130°。
S.C. Hu[8]采用实验和 CFD 的方法研究了旋流风口出风口区域的射流特性。实
验采用三维超声波风速仪和热线风速仪测量出风口风速分布，实验结果表明旋流
风口出风射流为高湍流度的三维射流，与 CFD 模拟结果相符。实验获得的旋流风
第一章 绪 论
3
口轴心速度衰减系数为 2.1~2.3，旋流风口由于有旋流导流片，其空气诱导比要比
圆锥形顶棚散流器大。因此，在湍流洁净室中采用旋流风口作为送风末端设备是
一种不错的选择。
R.C. Deo，J. Mi，G.J. Nathan [9] 系统地研究了喷口长宽比在 15~72 范围内的
平面射流，并分析了喷口长宽比对射流的影响。实验结果表明：喷口的长宽比对
射流的特性和扩散影响较大。射流射程随着长宽比的增加而增加，当长宽比大于
20 时，二维速度分布比较有规律，当长宽比大于 30 后湍流密度变化较小。在自模
区域，射流的衰减和扩散均随着长宽比的增加而增加但不会趋于稳定。
Guangyu Cao，J. Kurnitski 等人[10]研究了二维冷贴附射流的平均流场、射流作
用区域和轴心速度衰减等特性，通过实验测量推导了一个新的叠加模型预测贴壁
冷射流的轴心速度衰减。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 和30mm，出口速度 0.50、1.00 和2.00m/s 时，在雷诺数为 667~4000
范围内，模型能准确地预测最大速度衰减。
M. Alnahhal，Th. Panidis [11] 实验采用热线风速仪测试了相同出口条件，雷诺
数分别为 10000、20000 和30000 下，有无壁面时出口射流的射流边界、末端平均
风速和湍流度等特性，分析了长宽为 4.3×1.1m 的两侧平行壁面对长宽比为 15 的
方形喷口湍流自由射流的影响。实验结果表明：喷口射流在有和无壁面时的速度
场区别较大。壁面增加了轴向速度分布的波动，但在横向截面上没有增加流场的
波动。在射流 25 倍喷口宽度内，在壁面的影响下，较低速度下的横截面速度波动
和湍流雷诺应力均有所下降。
§1.3 散流器特性及其环境实验研究现状
§1.3.1 国内研究现状
在我国，对空气末端的研究主要集中在设备的选型方法、设计结构的改造、以
及其送风参数对室内热环境的影响。部分研究机构还针对空气末端设备的实验测
试技术做了研究。
杨国荣、叶大法[12]等人提出了以 ADPI 为基础的舒适性标准送风散流器选型方
法综合考虑了送风散流器的型式、人员活动区域的热舒适性、室内空气品质以及
室内环境的声学要求。该方法尤其适合变风量空调系统的气流分布。
刘艳玲、由世俊[13]等人研制了热力式散流器热力式散流器是一种以充液式或
充气式感温包为开关、以液体或气体的热胀冷缩为动力的双位温控散流器，送冷
风时为贴附射流，与常规散流器完全一样；送热风时，自动伸长，均匀分布各层
叶片，以利于热气流克服浮升力的影响而到达活动区，其伸长量可根据不同的房
方形吸顶散流器平送风等温射流特性研究
4
间层高作预调节。该论文在传统散流器与热力式散流器送热风时的对比性实验的
基础上，分析了两种散流器送风时的速度场、温度场，并利用温度不均匀系数、
速度不均匀系数、PMV、PPD 及能量利用系数等指标分别对其进行了评价，证明
了热力式散流器较常规散流器对送热风更加具有有效性。
樊瑛、郑庆红[14]等人研究方形散流器的送风参数对室内气流分布的影响规律。
在模拟建筑内区的空调实验室进行了实验，实验房间尺寸为 3.9m×3.2m×3.0m，
房间吊顶中央安装了一个方形散流器，其尺寸为 0.3m×0.3m。实验测出了送风风
量分别为 300m3/h、400 m3/h 和500 m3/h 工况下室内所有测点的温度和速度。对实
验数据分析得出空气分布特性指标、温度不均匀系数以及速度不均匀系数与送风
速度的关系曲线。结果表明在室内热源和控制温度不变时，随着送风速度的增大，
送风温度升高，送风温差减小，室内工作区的空气分布特性指标增大。
韩浩、徐新喜[15]等人将轴流风机与散流器直接相连组成通风系统，利用粒子
图像测速（PIV）技术对散流器的气流流场进行了测定，得到了 10 个断面上的时
均速度场，使用速度矢量合成得到了相交点上的 25 个三维速度矢量，并对流场的
特点进行了分析。结果表明，轴流风机形成的流场经过散流器后向四周分散的趋
势更加明显，并且出现了气流的分叉。PIV 在研究复杂流动时具有其他测量手段无
法比拟的全局性和把握细节的能力，得到的速度场可为数值模拟提供足够的数据
信息。
宋高举，李安桂[16]等人研究结果表明，散流器的流型与射流的出口参数以及
与顶棚的垂直距离有关，当射流出口速度较小时，射流将不能形成贴附射流，而
直接进入工作区当天花板为格栅型时，其流型将向下呈钟形投射。对于垂直向下
壁面贴附射流，射流的贴附效应与送风口和壁面之间的距离、射流与壁面之间的
夹角以及送风口出口参数有关。论文中进一步对送风口的紊流系数做了研究，实
验表明：对于既定送风口，射流紊流系数则随射流出口参数的变化而变化。对于
等温射流，射流紊流系数随出口速度的增大而减小；对于非等温射流，其紊流系
数随射流出口阿基米德数的绝对值的增大而减小。
龙传民，李安桂[17]等人以冷媒直接膨胀蒸发的单元式户式中央空调与常规风
口中的双层百叶风口来做低温送风测试实验。室内实际空间为 L×W×H=
6900mm×7350mm×3150mm，送风口为双层百叶铝合金送风口(上下、左右方向
角度可调)，房间为送风口侧送风气流分布方式，送风口尺寸为 1140mm×200mm。
实验中测试了百叶送风口低温贴附射流温度分布，确定了其射流轴心温度轨迹，
测量了射流轴心速度，回归分析得出了其速度、温度衰减特性公式。实验表明，
在低温侧送风方式中，送风风速直接影响到室内人员的人体舒服感。风速过高，
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：89 页
大小：6.57MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
