大空间二次诱导气流基础研究及其热环境分析

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.71MB 83 页 15积分

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摘要

分层空调是大空间建筑中应用最为广泛的空调形式，但是随着高大建筑规模

的不断增大，其气流组织往往不能满足大跨度要求，本文由此探讨了一种使用诱

导风机单元（FIU）的气流组织形式，并称之为“二次诱导气流组织”。它是在分

层空调射流的路径上合理布置诱导风机单元，通过二次射流的诱导和卷吸作用，

以寻求室内良好的气流分布，并延长冷射流区域。

二次诱导气流组织形式实际上是多个单股射流的串联叠加，在总结前人射流

研究的基础上，本文结合实际，建立了水平轴心布置 FIU 和非轴心布置两种数学

模型。通过数学分析和公式推导，得到了两个基本模型叠加后射流的变化规律，

主要是基于单股等温射流二次诱导气流的轴心速度和断面速度分布；同时对二次

诱导气流的气流特性及相关影响因素进行了初步理论分析，并得到一些研究成果，

以指导其在大空间的应用。

论文基于二次诱导气流的基本理论研究，将二次诱导气流组织形式应用于上

海理工大学大空间建筑室内热环境实验基地。结合实验基地的二次诱导气流组织

设计，根据喷口与 FIU 的三种不同组合，应用所建立的二次诱导气流基础理论进

行了相应的射流特性理论公式推导，得到其速度衰减规律，并结合现场实测，对

轴心速度和断面速度分布进行了实验验证。实验验证表明，理论推导结果与实测

结果很吻合。同时通过实验，获得了研究二次诱导气流组织相关的基本参数，如

喷口的紊流系数、FIU 的风速与转速关系、FIU 出风口的紊流系数等。

论文选择两个相似的稳定工况对室内热环境进行了实验研究，测试的主要内

容有室内热环境和风环境，包括居住域的温度分布、速度分布和室内垂直温度分

布等。实验结果表明，相对于分层空调气流组织，二次诱导气流组织在 FIU 的诱

导和卷吸作用下能改善室内气流分布，减少了居住域冷风感，降低了冷射流落差，

延长了居住域的射流范围。同时也发现，当 FIU 水平送风时，室内的分层效果比

分层空调要弱，垂直温度较为均匀，对此，论文提出了改进建议，以待今后进一

步实验探索。

由于在大空间建筑中首次尝试应用二次诱导气流组织，对二次诱导气流组织

特性探索还不够完善，其内在规律还有待于进一步理论和实验研究。论文进行的

二次诱导气流数学模型和射流公式基础研究，将为以后二次诱导气流深入探讨奠

定一定的基础。论文研究成果对实际工程应用和相关研究有一定的指导作用和参

考价值。

关键词：二次诱导气流分层空调射流气流特性热环境

III

ABSTRACT

With the span of large space building increasing, the airflow of stratified

air-conditioning can’t meet the demand of the bigger span , which is mostly used in

large space buildings, so the paper discusses a new airflow distribution which is called

the ‘second induced airflow’. It is formed by fan induced unit (FIU) which is laid on

the pathway of air jet in stratified air-conditioning system. The FIU can induce ambient

air and form the second jet, which can enlarge the area of the cold jet to get a better

airflow distribution in room.

The main theory of second induced airflow actually is the overlapping

phenomenon formed by several single jets in series. On the base of the fluid

mechanism about air jet we have known, the paper proposes two mathematical models,

the one is that the jet and FIU are laid in the same axes, and the other is not, and the

paper acquires the law of mixture efflux mainly including the axes and sectional speed

decreasing in main body sect of efflux through theory and formula analyse. The paper

also discusses the properties and correlative effect factors of mixture efflux and gains

some production for application in large space buildings.

The basic study theory of second induced airflow discussed above is used in the

large space building thermal environment experimental system in the University of

Shanghai for Science and Technology. According to the difference between air jet and

FIU, the model of air jet and FIU laid in same axes is divided into three physical

models. The paper acquires the mixture efflux law of the three models through referred

theory we have known, and validates it with experiment. The experimental verification

shows that theory analysis result is same to experimental result. Before validating the

theory, some exquipmental parameters are acquired through experiment, such as

turbulence coefficient of jet, turbulence coefficient of FIU and the relation between

velocity and rotate speed.

The paper chooses two similar experimental cases for indoor environment study.

The main job is to test the thermal environment and wind environment, including

living zone of temperature distribution, velocity distribution and indoor vertical

temperature distribution. The result of experiment shows the second induced airflow

can improve indoor air distribution, reducing the living domain chill feel, staving cold

jet falling height and extending jet scope in the domain living, compared to the

stratified air conditioning airflow. It is also found that the vertical temperature

distribution is more symmetrical, so that the stratified phenomenon is weaker than the

stratified air-conditioning. Therefore the paper gives ameliorative advice for

experimental exploring in the future.

It is the first to applicate second induced airflow in large space building, the

exploration of airflow characteristic is not perfect, and its inherent laws also need the

further theoretical and experimental research. The basic theory of mathematical model

and law of mixture efflux in paper will be beneficial to further study. The study

production of this paper also can be taken as references for engineering design and correlative

research.

Key Word：Second induced Airflow, Stratified air-congditioning,

Jet, Airflow characteristics, Thermal environment

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

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

§1.2 大空间建筑空调气流组织研究概况 ................................. 2

§1.2.1 展厅类大空间建筑气流组织概况 ............................... 2

§1.2.2 诱导风机应用发展概况 ....................................... 5

§1.3 大空间建筑分层空调研究概况 ..................................... 6

§1.3.1 分层空调射流理论研究概况 ................................... 7

§1.3.2 室内热环境现场实测研究概况 ................................. 7

§1.4 本文研究讨论的内容 ........................................... 10

§1.5 本文主要研究方法及实验研究对象介绍 ........................... 10

§1.5.1 二次诱导气流理论研究的主要方法 ............................ 11

§1.5.2 上海理工大学大空间建筑室内热环境实验基地介绍 .............. 11

第二章单股等温射流二次诱导气流数学建模及其特性分析 ................. 13

§2.1 单股射流基础理论 ............................................. 13

§2.1.1 阿勃拉莫维奇方法和谢彼列夫方法 ............................ 14

§2.1.2 射流工程计算方法 .......................................... 15

§2.2 水平轴线上布置诱导器的二次诱导气流数学模型建立 ................ 16

§2.2.1 研究对象的物理模型 ........................................ 16

§2.2.2 二次诱导气流数学模型求解 .................................. 17

§2.3 气流特性及相关影响因素分析 .................................... 19

§2.3.1 风口紊流系数

和风口直径的影响 ............................ 19

§2.3.2 射流末端控制风速的影响 .................................... 21

§2.4 非轴心布置诱导器所形成的二次气流数学模型建立 ................. 22

2.5 小结 ............................................................ 24

第三章实验基地二次诱导气流基础实验及理论验证 ....................... 25

§3.1 二次诱导气流实验体系设计方案 .................................. 25

§3.1.1 实验对象与目的 .............................................25

§3.1.2 测试内容与仪器 .............................................26

§3.1.3 实验工况设计与测点介绍 .....................................27

§3.2 风口特性的实验研究 ............................................ 28

§3.3 诱导风机单元的基本研究 ........................................ 30

§3.3.1 出口风速－风机转速的标定 ...................................30

§3.3.2 风口的特性系数标定 .........................................31

§3.4 实验基地二次诱导气流数学模型实验验证 .......................... 32

§3.4.1 模型 A–FIU1+FIU2 轴心水平布置时的数学模型实验验证 ..........32

§3.4.2 模型 B–喷口+FIU1 轴心水平布置时的数学模型实验验证 ..........35

§3.4.3 模型 C–喷口+FIU1+FIU2 轴心水平布置的数学模型实验验证 .......40

§3.5 二次诱导气流组织气流形态发烟实验 .............................. 44

§3.6 小节 .......................................................... 45

第四章二次诱导气流室内热环境实验研究及结果分析 ..................... 47

§4.1 大空间建筑室内热环境实验基地概况 .............................. 47

§4.1.1 实验基地建筑概况 ...........................................47

§4.1.2 空调概况 ...................................................47

§4.2 空调工况下喷口射流实验与热环境实验设计方案 .................... 50

§4.2.1 测试对象与测试目的 .........................................51

§4.2.2 测试内容和主要测试仪器情况 .................................51

§4.2.3 热环境实验测点布置 .........................................52

§4.3 室内热环境实验环境状况 ........................................ 55

§4.3.1 室外气象状况 .............................................. 55

§4.3.1 实验送回风温度状况 ........................................ 56

§4.4 实验模型用非等温射流计算式确定 ................................ 57

§4.4.1 非等温射流基础理论 ........................................ 57

§4.4.2 非等温射流基础理论计算式实验认证 .......................... 58

§4.5 分层空调形式下的室内热环境测试与分析 .......................... 60

§4.5.1 室内热环境实验结果与分析 .................................. 61

III

§4.5.2 室内风环境实验结果与分析 .................................. 63

§4.6 二次诱导气流组织形式下的室内热环境测试结果与对比分析 .......... 63

§4.6.1 二次诱导气流特性传递作用的讨论 .............................64

§4.6.2 室内热环境实验结果与分析 ...................................65

§4.6.3 室内风环境实验结果与分析 ...................................67

4.7 小结 ............................................................ 69

第五章结论及展望 ................................................... 71

§5.1 结论 .......................................................... 71

§5.1.1 理论模型和数学推导 ........................................ 71

§5.1.2 二次诱导气流的气流特性及相关影响因素理论分析 .............. 71

§5.1.3 实验基地二次诱导气流数学模型实验验证 ...................... 72

§5.1.4 实验基地分层空调下室内热环境测试及分析 .................... 73

§5.1.5 实验基地二次诱导气流下室内热环境测试结果及对比分析 .........74

§5.2 有待继续研究的内容 ............................................ 75

参考文献 ............................................................ 77

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 81

致谢 .............................................................. 83

第一章绪论

§1.1 课题的提出

随着社会的进步，人们精神文化水平的不断提高，我国近年来出现了许多大

空间建筑物，如大型的文化活动场所、展览中心及会议中心等。尤其是上海世博

会的即将来临，在“城市让生活更美好”的倡导下，人们的节能意识和对室内空

气品质要求的不断提高，大空间的空调设计除了满足基本空调参数要求外，如何

在节能、舒适、健康和布置方便等诸多因素下寻求最佳的气流组织方案已成为其

室内环境设计追求的目标。

大空间建筑由于高度高、体积大、人员居留区高度远低于室内总高，空调能

耗往往远大于实际居住域所需能耗[1]。分层空调作为一种大空间空调处理方式已

被国内外广泛采用，与全室空调相比，一般可节省冷负荷 30%左右[2]。但是随着

大跨度建筑物如展览馆、展览中心等的建造，仍采用喷口侧送风的分层空调方式，

其射流长度就可能无法满足大跨度的要求。虽然可以通过地下风道与风塔组合形

成的分层空调侧送风、全室送风或其它方式实现空调送风，但仍会存在很大的能

源浪费和建筑上的不美观。而分层空调本身还存在着送风不均匀、冷风下降或热

风上浮等的缺陷。

在研究众多大空间空调设计实例和目前广泛应用于地下车库通风的诱导风机

后，本文提出了一种带有局部混流诱导装置的空调形式，在室内分层空调喷口侧

送风射流的路径上安装诱导设备，通过二次射流的诱导和卷吸，在室内形成局部

二次诱导气流，以营造良好的气流分布，使人员区速度分布和温度分布更为均匀。

本文将对射流运动及二次诱导气流机理进行深入研究，并在上海理工大空间建筑

室内热环境实验基地上采用这一新的空调气流组织形式，通过实验对二次诱导气

流下的室内热环境进行测试研究，并与同工况分层空调下的室内热环境进行比较，

分析探讨其对大空间建筑室内热环境的影响。

本课题深入开展大空间建筑气流组织研究，提出了一种新型的空调气流组织

形式，并对该气流组织机理及相关射流基础理论进行研究，拓展和探索了我国大

空间建筑空调和室内气流组织研究。这对促进我国大空间建筑空调研究的发展，

具有重要的理论意义，其研究成果将为大空间建筑空调气流组织设计和预测提供

理论依据，具有工程指导意义和实用价值。

大空间建筑二次诱导气流组织基础理论研究及其室内热环境分析

§1.2 大空间建筑空调气流组织研究概况

随着国家节能目标的提出，作为耗能大户-空调系统的节能问题越来越得到人

们的关注，尤其是影剧院、科技馆、体育馆及高大生产厂房等大空间建筑物的空

调节能。良好的气流组织对室内热环境和节能有着不可低估的作用。

§1.2.1 展厅类大空间建筑气流组织概况

目前大空间空调气流组织有多种形式，比较典型的有侧送风，上送风，下送

风及多种气流组织相结合的形式，以及其他一些新兴的气流组织形式。下面就展

厅类大空间建筑内空调典型的各种送风气流组织形式做一分析比较：

表1-1 大空间建筑的气流组织方式对比

气流组织

优点

缺点

应用情况

实例

侧送风

(分层空调)

射流长，流量大；能

解决大空间温度分层

的能耗问题。

场地风速较大，难以控制；

冷风下降或热浮现象

最为广泛

深圳会展中

心[3]，南宁国

际会议展览

中心[4]等

上送风

送风均匀；能满足不

同区域参数要求。旋

流风口应用较多，风

量大、送风深且广、

噪声低、送风流型可

调、人员对风速易控

制、阻力特性稳定等

优点

将上空污浊空气带入人员

区，空气品质差；带入上

部冷热负荷，更耗能；管

网布置复杂且影响美观，

不适宜层高较高的建筑

新建展馆较

多

天津市国际

展览中心[5]、

山东省国际

会议及展览

中心[6]，南

京长江二桥

展览馆[7]、厦

门国际会展

中心等[8]

下送风

减少设计负荷，低能

耗；空气品质好；噪

声低；人员区舒适感

强，气流均匀；送风

口风速低，阻力小，

节能

占用地面面积，难以适应

场地变化要求；风口多，

管道布置难；室内清洁较

难处理

国内大型场

馆较少使用

多种气流

结合

根据实际情况设计，

效果好；综合建筑、

负荷等各方面因素合

理设计，能耗低

布置复杂，占用空间；分

区较多，难以全室控制参

数；多种气流组织可能造

成室内气流分布不均匀

较多

富华国际会

议及展览中

心第一展厅

[9]外区

表1-1 中应用最为广泛的侧送风形式，是大空间建筑分层空调比较常用的气

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摘要：

I摘要分层空调是大空间建筑中应用最为广泛的空调形式，但是随着高大建筑规模的不断增大，其气流组织往往不能满足大跨度要求，本文由此探讨了一种使用诱导风机单元（FIU）的气流组织形式，并称之为“二次诱导气流组织”。它是在分层空调射流的路径上合理布置诱导风机单元，通过二次射流的诱导和卷吸作用，以寻求室内良好的气流分布，并延长冷射流区域。二次诱导气流组织形式实际上是多个单股射流的串联叠加，在总结前人射流研究的基础上，本文结合实际，建立了水平轴心布置FIU和非轴心布置两种数学模型。通过数学分析和公式推导，得到了两个基本模型叠加后射流的变化规律，主要是基于单股等温射流二次诱导气流的轴心速度和断面速度分布；同...

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