对撞射流通风方式气流形态模拟

郑婷婷， 陈红兵， 王聪聪， 王文谦， 李 璊， 梁宁康

(1.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京100000；2.城市建设技术集团(浙江)有限公司，浙江杭州310000)

1 概述

对撞(也称为碰撞)射流通风具有很强的混合作用，因此在地铁、飞机等领域显示出了独特的优点。国外很多学者很早对这种通风方式开展了研究[1-2]，然而关于对撞射流的大部分研究均以时均流场为主。与时均流场不同，瞬时流场反映了气流形态的不稳定性。

关于对撞射流气流形态不稳定性的机理，在人居环境中研究得比较少。Li等人[3]对湍流射流喷头进行了实验研究，发现驻点偏移是对撞射流的主要状态，并发现速度对驻点偏移有影响。Zhao等人[4]使用数值模拟方法研究3端口狭缝通风室内气流结构，结果证明：送风速度、送风高度以及雷诺数对气流具有抑制或促进作用。Zhao等人[5]分析了二维空腔混合对流的特性，发现了送风角对混合对流的振荡具有影响。Besbes等人[6]采用了标准k-ε模型和二阶模型对平面对撞射流进行了数值模拟，验证了对撞射流受送风角的影响。Kandzia等人[7]的研究证明了人体热羽流对气流的稳定性也会产生一定影响。

综上，对撞射流研究多采用实验、数值模拟方法。由于计算流体力学(CFD)的模拟准确性比较理想，且时间成本、人工成本均比较低，因此采用CFD对室内气流组织的研究不在少数[8]。对于CFD的模拟准确性，Hooff等人[9]进行了雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法与大涡模拟(LES)方法比较，发现LES方法的准确性更高。21世纪以来，模拟飞机舱和封闭环境通常采用LES方法进行研究[10]。因此，LES方法更适合分析对撞射流气流形态。

Blay等人[11]进行了实验和数值模拟，研究对象为湍流对流气流在带有加热地面的方腔内喷射对撞。在Blay等人的实验基础上，本文采用大涡模拟(LES)方法模拟研究封闭方腔内对撞射流气流形态，在出口高度、送风温度、方腔内空气初始温度一定的前提下，分析送风速度、送风角度、地面温度对对撞射流气流形态的影响。

2 模拟方法

2.1 几何模型

Blay等人设置了1个长×高×宽为1.04 m×1.04 m×0.30 m的方腔，方腔左上侧开了高度为18 mm的狭缝作为空气进口，在右下侧开了高度为24 mm的狭缝作为空气出口。Blay等人研究的方腔见图1。分析面位于1/2宽度上，空气进口温度为15 ℃，方腔壁面温度设置为15 ℃，地面温度设置为35.5 ℃。

图1 Blay等人研究的方腔

2.2 求解方法

流体为空气，湍流模型选用LES。在基于有限体积法的空间离散格式上，为克服扩散，选择二阶迎风格式。瞬态公式选择有界二阶隐式。在网格精度合理的状况下，选用Couple算法。不考虑壁面间辐射传热、导热。时间步长设置为0.05 s。采用Ansys Fluent 19.0软件求解。

2.3 网格划分

计算域为整个方腔，由于LES方法需要采用比较细的网格，因此本文采用结构化网格。分别划分3种数量的网格(见图2)，网格数分别为23 012、92 771、364 023个。

图2 3种网格数量的方腔

送风温度为15 ℃，送风速度为0.57 m/s，送风角为0°。模拟分析面水平中心线(y=0.52 m)、竖直中心线(x=0.52 m)上的空气温度、流速，将模拟结果与Blay等人的实验结果进行比较。当网格数为92 771个时，模拟结果与实验结果吻合度比较好。因此，方腔模型的网格数采用92 771个。在接下来的算例中，方腔的网格数也采用92 771个。

3 案例设置

将Blay等人研究的方腔由单进、单出改为双进、双出(见图3)。送风角为正、负时的空气入射方向见图3，空气入射方向与x轴平行时送风角为0°。出口高度为24 mm，送风温度为15 ℃，方腔内空气初始温度为15 ℃。按影响因素分为3类研究内容，对分析面的气流形态进行模拟。

① 送风速度。送风角为0°，地面与壁面温度均为15 ℃。在送风量一定的情况下，进口高度分别设定为18.0、12.0、8.0、5.3 mm，对应的送风速度分别为0.570、0.855、1.283、1.936 m/s。

② 送风角。进口高度为18.0 mm，送风速度为0.57 m/s，地面与壁面温度均为15 ℃。送风角分别为20°、10°、0°、-10°、-20°。

③ 地面温度。进口高度为18.0 mm，送风速度为0.57 m/s，送风角为0°，壁面温度为15 ℃。地面温度分别为15、25、35 ℃。

图3 算例研究的方腔

4 模拟结果与分析

为便于分析，对流场内空气流速进行归一化处理：

式中U——归一化流速

u——流场内空气流速，m/s

uin——送风速度，m/s

4.1 送风速度

不同时间送风速度为0.570、0.855、1.283、1.936 m/s的流场见图4。由图4并结合4种送风速度的方腔流场视频可知，送风角为0°、地面与壁面温度一致、送风量一定时，与小进风口、大送风速度相比，大进风口、小送风速度下，射流对撞后的气流影响范围(高度方向上)更大，且影响范围内的风速更低。因此，大进风口、小送风速度条件更适合室内送风。

图4 不同时间送风速度为0.570、0.855、1.283、1.936 m/s的流场

4.2 送风角

不同时间送风角为20°、10°、0°、-10°、-20°的流场见图5。由图5并结合5种送风角的方腔流场视频可知，送风量一定、地面与壁面温度一致条件下，送风角为20°、10°时，随着时间延续，气流形态出现明显混乱。对于送风角-20°、-10°、0°，送风角为0°时，气流影响范围大，射流碰撞后的汇流流速最高。送风角为-10°时，气流影响范围和汇流流速次之。送风角为-20°时，气流影响范围、汇流流速最小。

图5 不同时间送风角为20°、10°、0°、-10°、-20°的流场

4.3 地面温度

不同时间地面温度为15、25、35 ℃的流场见图6。由图6并结合3种地面温度的方腔流场视频可知，送风量一定、送风角为0°、壁面温度为15 ℃时，随着地面温度升高，射流碰撞后汇流作为方腔内气流组织的主导地位被打破。地面温度越高，方腔内气流形态越混乱，变化越快。

图6 3种地面温度下方腔的瞬时流场

5 结论

① 送风速度的影响：送风角为0°、地面与壁面温度一致、送风量一定时，与小进风口、大送风速度相比，大进风口、小送风速度下，射流对撞后的气流影响范围(高度方向上)更大，且影响范围内的风速更低。大进风口、小送风速度条件更适合室内送风。

② 送风角度的影响：送风量一定、地面与壁面温度一致条件下，送风角为20°、10°时，随着时间延续，气流形态出现明显混乱。对于送风角-20°、-10°、0°，送风角为0°时，气流影响范围最大，射流碰撞后的汇流流速最高。送风角为-10°时，气流影响范围和汇流流速次之。送风角为-20°时，气流影响范围、汇流流速最小。

③ 地面温度的影响：送风量一定、送风角为0°、壁面温度为15 ℃时，随着地面温度升高，射流碰撞后汇流作为方腔内气流组织的主导地位被打破。地面温度越高，方腔内气流形态越混乱，变化越快。