高大空间印刷厂房分层空调2D-PIV模型实验研究

李安桂，赵玉娇，申健，陶鹏飞，喻继平

(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安，710055)

摘要：以1:50的模型为对象，利用PIV技术进行试验研究，考察不同风口形式(矩形风口长宽比1:2，矩形风口长宽比1:4，矩形风口长宽比1:8，及圆形风口)及送风速度(u₀=0.5，1.0，1.5，2.0 m/s)对工作区气流组织的影响。试验结果表明：长宽比为1:8的矩形风口的射流变化规律与长宽比为1:2及1:4的矩形风口存在较大不同。在采用相同送风速度的情况下，其气流在竖直方向上扩散程度较为明显，难形成良好的气幕。而在圆形风口，由于风口紊流系数小，其射流气流的射程明显较长，且圆形风口收缩性较好，气流在竖直方向扩散不明显。

关键词：印刷厂房；分层空调；2D-PIV；模型试验；气流组织

中图分类号：TU83            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0082-09

Experimental investigation on air distribution with 2D-PIV for

large space of a press hall

LI An-gui, ZHAO Yu-jiao, SHEN Jian, TAO Peng-fei, YU Ji-ping

(School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology,

Xi’an 710055, China)

Abstract: The detailed measurements for whole field air movements were carried out in a press hall model with protype size 1/50 to the real scale. PIV technology was used in the experimental study air distribution in a large printing workshop. Different air velocities (u₀=0.5, 1.0, 1.5, 2.0 m/s) were investigated and those images and data were analyzed and processed. Four different vent types (aspect ratio 1:2; aspect ratio 1:4; aspect ratio 1:8 and circular) were also discussed. The results show that as the air velocity of the model generally increases, jet stratification significantly increases. With the increase of aspect ratio of rectangular outlet, the diffusion degree in vertical direction increases obviously. Comparing with the rectangular outlet, the range of the jet flow of the circular outlet is much longer and the draught contractile is better.

Key words: press hall; stratified air conditioning; 2D-PIV; model experiment; air distribution

目前研究室内空气的流动状态主要有理论分析、试验研究及数值模拟等3种方法^[1]。其中理论分析方法的关键环节在于提出理论模型，并运用数学方法求出理论结果，但由于工程实践的复杂性，许多实际流动问题还难以精确求解。数值模拟方法是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制^[2]。试验研究又分为原型实测和模型试验。显然原型实测方法是相当受限的，即一般无法在设计之前对原型给予科学评价。相对于原型实测，模型试验由于较高的精度和较少的费用，在气流组织测试中得到了广泛应用。实验测试表明，模型试验中常用的气流流速测量方法经常由于测头或传感器的存在容易对气流流场造成一定程度的干扰，而粒子图像测速技术(Particle image velocimetry，PIV)作为近20年来迅速发展起来的瞬态流场测试技术，能够在不干扰流场的情况下对气流流场进行测量并且精度较高(总误差小于1%)^[3]，尤其适合研究室内低速气流流动^[4-5]。目前PIV技术已经逐渐成为流场测量的主要方法之一。印刷工业是国民经济的重要组成部分，也是近十几年发展较快的行业之一。印刷车间属于具有大型热源(印刷机体量大、产热大)的高大建筑空间^[4]，虽然近年来国内、外对高大建筑空调系统和气流组织设计有较多经   验^[5]，但是对适合印刷车间工艺要求特点的气流组织型式有待于进一步研究确定。印刷间厂房高大，除具有一般大空间建筑特征之外，还具有其自身的特点：印刷机本身的体积和高度大，要求工作区温湿度控制范围大；印刷工艺要求进入工作区的风速不得超过0.2 m/s；印刷过程中大量使用的溶剂型油墨挥发性强与成品切割包装产生大量粉尘混合，造成车间污染严重。本文作者针对某印刷厂房分层空调的气流组织形式，利用二维粒子成像速度测量技术(2D-PIV)对其室内气流组织状况进行了研究，考察在过渡季节，采用等温送风时，不同送风速度、送风口型式下大空间厂房分层空调气流组织的变化规律，从而提出合理有效的分层空调布置形式。

1  试验内容及PIV系统

1.1  模型建立

由于本实验采用PIV测速技术，故模型的材料采用0.5 cm的有机玻璃，以便于激光穿过照亮流场和CCD相机的拍摄。考虑到拍摄断面是狭长的薄片，所以在实验过程中，用黑色粗糙材料将拍摄断面以外部分遮住，防止产生反光，影响拍摄效果。由于实验条件的限制和PIV拍摄断面面积的限制，以及参考国内外成功的模型实验，最终确定模型的比例尺为1:50。

本模型主要包括2部分：印刷主厂房模型和2个静压箱(见图1)。在本试验中，只研究主厂房中的气流组织，采用中部机械送风，下部单侧回风及顶部自然排风的方式。模型的尺寸(长×宽×高)为：960 mm×360 mm×360 mm。在送风口和回风口处均设置静压箱，以保证各风口送风的均匀性及降低噪音。2个静压箱的尺寸(长×宽×高)分别为：960 mm×160 mm×280 mm及960 mm×160 mm×360 mm。模型设置送风口7个，风口间距为14 cm，风口高度分别设为130 mm。当采用矩形风口时，其长宽比分别为1:2，1:4，1:8；当采用圆形风口时，其直径为16 mm，总的送风面积为14 cm²。回风口共设3个，与送风口等高，采用单侧回风的方式，其总的回风面积为28.8 cm²。

实验中机械送风的动力来自于2部分，当所需风速较小时，用实验室中的空调送风即可满足要求；当所需风速较大时，将同时开启装在系统中的轴流风机，以满足实验要求。另外在烟气进入风管前，设置了1个混合箱，使示踪粒子在送入模型前与空气充分混合；设置了风速控制装置用于调节流量和流速；并在风管和各设备接口处，做了密封，防止漏气，确保实验的精确性。为了使环境温度和送风温度保持一致，环境温度、送风温度都用热电偶进行测量。

图1  模型尺寸示意图

Fig.1  Experimental facility layout

描述黏性流体运动的纳维-斯托克斯方程组在数学上相当复杂，除了极少数特殊形式外，无法求得它的解析解。因此，用模型模拟进行实验的方法已经被通风空调设计者列为检验审核通风空调设计、采用新型气流组织的一种手段和工具^[6]。模型尺寸与实际尺寸的比例为1/50。相似条件如下^[7]。

几何条件相似，即边界处：

             (1)

物理条件相似：

，，        (2)

边界条件相似，即入口及出口处：

            (3)

由于壁面处的速度皆为0 m/s，故壁面处速度相似自然得到保证。

在实验过程中，无法保证模型与实物采用同一种介质，一般也只能部分保证几何相似。当实物中流体各点温度不同时，在模型中同样很难予以实现。另  外，由于具有若干个准则数，想同时都保证各自的数值相等也存在很大难度。此时，就必须采用近似模化的方法^[8]。

对于本实验，要求流动完全相似，则必须保证Re数和Fr数都相等，但这是无法实现的。因而只能保证一个主要的相似参数相同。通过实验的观察发现：当本实验采用最小流速时，射流已达到充分的紊流射流，即认为其处于自模区。所以本实验选用弗罗特数Fr作为相似准则，即：，根据式(1)~(4)可以得到模型的几何比例和速度比例分别为1/50和1/7.07。模型的参数值见表1。

              (4)

几何尺寸比例尺为：

                  (5)

速度比例尺为：

                 (6)

从方程(1)~(7)可以得到以下方程：

                 (7)

式中：p为实物；m为模型；g为重力加速度；u为速度。

表1  模型与实际的参数值

Table 1  Related parameters of real and model

1.2  试验过程

印刷厂主厂房采用了分层通风方式，主厂房实验模型见图2和图3。本试验采用的是等温送风，送风温度与环境温度均为26 ℃。

首先将送风气流送入混合箱与发烟机喷射出示踪粒子充分混合，混合均匀的气流经过风机送入静压箱，目的是使每个送风口的送风速度保持一致。为了验证静压箱制作设计符合试验要求，保证风口出风均匀，本试验借用美国工业电除尘器中的气流分布均匀性的相对均方根值法(RMS)，作为判定各风口气流分布均匀性的标准^[9]。该标准规定σ=0.2~0.25时可认为气流分布均匀。经计算，各试验工况下σ＜0.2，因此，可认为各风口出口断面风速均匀一致。

PIV的拍摄断面位于送风口区域(见图4)。

图2  实验装置整观图

Fig.2  Experimental apparatus

图3  试验过程示意图

Fig.3  Experimental process

图4  拍摄断面(单位：mm)

Fig.4  Shooting section

1.3  PIV系统

2D-PIV技术的原理是预先在需研究的流体内添加示踪粒子，用脉冲激光片状光源照射所测流体，形成二维流场，同时在垂直流场方向上通过成像记录系统摄取2次曝光(间隔Δt)的示踪粒子图像，形成PIV底片，再经过复杂的光学分析技术处理确定所判读区域内的平均位移，由此确定流场切面上多点的二维速度。本次试验所采用系统的配置如下。

(1) 光路系统。采用双脉冲Nd:YAG激光仪，激光能量为200 mJ，光源为波长532 nm的可见光。激光仪发出的片光源厚度可调，可拍摄最大断面为500 mm×500 mm。根据本试验经验，可能由于光源更加集中，较薄的片光源所拍摄的粒子图像更加清晰。本试验使用3~10 mm厚度片光源。

(2) 图像拍摄系统。采用200万像素互相关CCD照相机，型号为Power View^TM Plus 2MP，可以感应示踪粒子产生的散射光，并记录粒子位移场的瞬时信息。通过对光脉冲时间延时(Δt)的调整，可以测量不同的气流速度。本试验根据0.26~0.43 m/s的送风速度，Δt取200~500 μs。Δt取值问题是PIV拍摄技术的关键技术之一。

(3) 同步控制系统。同步控制器型号为TSI610034，是PIV测量系统的控制核心，精确控制着激光脉冲和图像采集的工作顺序及时间间隔。

(4) 示踪粒子。采用TSI烟雾发生器，型号为rosco 1700，可产生平均粒径为1~5 μm的球形液滴，本次试验采用的示踪粒子的粒径为1~2 μm，这样粒子就会有良好的跟随性和散光性，能够使PIV系统更加真实地表现和测量流场。

从PIV的原理分析，2束激光脉冲时差Δt在拍摄过程和数据处理过程中起着至关重要的作用，它直接可以影响PIV拍摄的图片质量以及所拍摄区域速度值的真实性^[10-12]。研究表明：合适的Δt可得到比较理想的粒子图像；两束激光脉冲时差Δt与所拍摄区域的最大流速有关，当所拍摄区域最大速度增大时，应当将Δt设置较小，相反当所拍摄区域最大速度减小时，应将Δt设置较大^[13-14]。

在10种不同最大风速下进行2D-PIV实验，每种风速下找到了最佳的Δt，最大速度U_MAX和Δt的关系曲线如图5所示。从图5可知：二者的对数曲线是线性关系，拟合公式为：

U_MAX×Δt=250              (8)

图5  最大速度U_MAX和Δt的关系

Fig.5  Relationship between Δt and U_MAX

2  试验结果及分析

有许多研究等温射流的半经验公式，其中Schlichting等^[15-16]提出公式如下：

                (9)

在拍摄断面处，喷口射流的出口速度可以用等温自由射流公式计算^[16]。

圆形喷口的计算公式为：

           (10)

矩形喷口的计算公式为：

           (11)

式中：u₀为喷口风速，m/s；a为紊流系数，由实验决定，是表示射流流动结构的特征系数；s为射程，m；b₀为喷口直径。

图6和7所示为采用不同类型送风口时轴心速度的比较结果。将试验结果与经验式(10)和(11)，及文献[11]所作的模拟结果做了对比。从图6和图7可知：试验结果与经验公式及模拟结果吻合良好。

图8(a)~(d)所示为矩形风口(长宽比1:2)在不同送风速度情况下的云图。可以看出：在送风高度为h=  130 mm时，随着送风速度的逐渐增大，射流气流在形态不断发生变化。如图8(a)所示，当模型送风速度u₀=0.6 m/s，射流气流刚离开风口时沿水平方向运动，沿X方向，气流速度开始衰减，由于送风速度较小，射流气流来不及到达对侧墙壁，其末端位置开始发生弯曲，并没有形成良好的气幕，这主要是由于在卷吸作用作用下，气流开始与周围空气混合，产生竖直方向扩散；当送风速度u₀= 1.0 m/s时，射流气流的射程开始变长，气流对周围空气的卷吸作用增强，射流主体段上下两侧边界上的速度值开始增大；从图8(c)和8(d)可以看到：当送风速度逐渐增大到u₀=2.0 m/s时，射流气流开始能够到达对侧墙壁，从而形成较好的气幕，产生分隔作用，由于与墙壁发生碰撞，射流气流末端流向变为向上及向下。

图6  矩形喷口轴心速度比较

Fig.6  Jet axial velocity of rectangular air supply outlet

图7  圆形喷口轴心速度比较

Fig.7  Jet axial velocity of circle air supply outlet

图8(e)~(h)所示为矩形风口(长宽比1:4)在送风高度h=130 mm、单侧送风单侧排风情况下的速度云图。可以看出：其变化规律与矩形风口(长宽比1:2)时的情况相似。对其竖直方向上的扩散程度较工况长宽比1:2更为明显；随着送风速度的增大，逐渐形成良好的气幕，分层效果愈加显著，轴心速度衰减变得缓慢；当速度为u₀=2.1 m/s (u₁=14.85 m/s)时，分层效果最好，且不会再工作区下方形成滞留区。

图8(i)~(l)所示为矩形风口(长宽比1:8)在送风高度h=130 mm、单侧送风单侧排风情况下的速度云图。对于矩形风口(长宽比1:8)：其竖直方向上的扩散程度较上述长宽比1:2、长宽比1:4这2种工况最为明显。随着送风速度的增大，逐渐形成良好的气幕，分层效果愈加显著，轴心速度衰减变得缓慢。当速度为u₀=1.6 m/s (u₁=11.31 m/s)时，分层效果最好，且不会再工作区下方形成滞留区。

图8(m)~(p)所示为圆形风口在送风高度h=    130 mm、单侧送风单侧排风情况下的速度云图。对于圆形风口：由于圆形风口紊流系数小，与前3组工况相比，本组工况射流气流的射程明显较长，且圆形风口收缩性较好，气流在竖直方向扩散不明显。随着送风速度的增大，逐渐形成良好的气幕，分层效果愈加显著，轴心速度衰减变得缓慢。当速度为u₀=1.7 m/s (u₁=12.02 m/s)时，分层效果最好，且不会在工作区下方形成滞留区。

图9(a)~(d)所示为矩形风口(长宽比1:2)在不同送风速度情况下的矢量流线图。当送风速度u₀=0.6 m/s时，射流气流主体段末端开始向上偏移，在气流上部靠近对侧墙壁区域形成回流，在下部区域靠近回风口一侧的气流开始回转运动，产生了较小的漩涡；当送风速度变为u₀=1.0 m/s时，回风口的作用开始增强，射流末端气流开始向回风口处运动；从图9(a)~(d)可以看出：随着送风速度逐渐增大，射流气流能够很好地沿水平方向运动，分层效果显著增强，射流上部区域产生了较大的回流漩涡，同时在下部区域靠近回风口位置也产生了回流漩涡；当送风速度增加到u₀=  2.4 m/s时(如9(d)所示)，射流气流始终保持水平方向，射流主体段中部之后区域扩散情况较为明显，与前几种工况相比回流区漩涡作用也更强，射流下部区域空气受射流气流影响向对侧墙壁回风口位置运动，同时在送风口下方也出现了滞留区。

图8 不同工况下拍摄断面的速度云图

Fig.8  Nephogram of velocity (in m/s) at different cases

图9(e)~(h)所示为矩形风口(长宽比1:4)在送风高度h=130 mm、单侧送风单侧排风情况下的矢量流   线图。

如图9(e)所示，当送风速度u₀=0.5 m/s时，射流气流主体段上下两侧靠近对侧墙壁区域形成回流，在下部区域靠近回风口一侧的气流也开始发生回转运动，产生较小漩涡；当送风速度增大至u₀=0.9 m/s时，回风口作用开始增强，射流末端气流受其影响回流漩涡效果逐渐变强；从图9(g)可以看出：随着送风速度继续增大(u₀=1.4 m/s)，射流气流能够很好地沿水平方向运动，形成完整的气幕，射流分层效果显著增强，主体段末端下侧漩涡中心位置开始向下偏移；当送风速度增加到u₀=2.1 m/s时，射流气流在竖直方向扩散范围继续增大，气流能够达到更好的分层效果。

图9(i)~(l)所示为矩形风口(长宽比1:8)在送风高度h=130 mm、单侧送风单侧排风情况下的矢量流线图。可见：当送风速度u₀=0.4 m/s时，射流气流在运动过程中逐渐向回风口方向弯曲，在到达对侧墙壁时与其发生碰撞，流向变为向上及向下，在上部区域室内空气受到回流气流的影响产生漩涡；从图9(j)可以看到：当送风速度增大至u₀=0.9 m/s时，射流气流主体段弯曲程度减小很多，基本保持水平运动，上部区域回流漩涡的中心开始向送风口方向移动，同时回风口的作用开始增强，在射流气流下部靠近回风口位置产生了回流漩涡；从图9(k)可以看出：随着送风速度值继续增大(u₀=1.6 m/s)，射流气流能够很好地沿水平方向运动，形成完整的气幕，射流分层效果显著增强，射流气流上部回流漩涡中心点继续向送风口方向偏移；当送风速度增加到u₀=2.1 m/s时，射流气流在竖直方向扩散范围继续增大，虽能形成分层效果，但对下部区域气流影响已非常明显，不利于工作区的气流稳定。

图9  不同工况下拍摄断面的速度矢量图

Fig.9  Stream line of velocity (in m/s) at different cases

图9(m)~(p)所示为圆形风口在送风高度h=    130 mm、单侧送风单侧排风情况下的矢量流线图。可见：当送风速度u₀=0.7 m/s时，由于射流速度较小，射流主体段末端开始向下弯曲，射流下部区域空气受气流带动向回风口处运动；随着送风速度逐渐增大，射流气流能够很好地沿水平方向运动，分层效果显著增强；当送风速度增大至u₀=2.3 m/s时，射流气流始终保持水平方向运动，能够形成很好的气幕以分隔空间，射流主体段的扩散范围与前几种工况相比较小。

本试验利用Tecplot Foucs软件提取了不同工况下的射流轴心速度，相应参数一定(送风高度h=130 mm、单侧送风单侧回风)情况下，不同类型风口在不同工况下的无因次轴心速度分布如图10所示，其中x表示送风距离；d₀表示风口的当量直径；u₀表示射流出口处的轴心速度；u_m表示射流出口处的最大轴心速度。

由图10可以看出：在不同送风速度情况下，射流气流的轴心速度均呈双曲曲线规律变化，各组工况之间满足一定的自相似性。(注：由于本实验研究范围仅限于射流主体段，因此省去u_m/u₀=1之前部分风速提取点)。

从图10(a)可见：本组工况u_m/u₀的峰值出现在x/d₀=3与x/d₀=4之间的位置，随着轴心速度的不断衰减，u_m/u₀不断减小。当送风速度u₀=0.6 m/s及u₀=1.0 m/s时，射流轴心速度衰减很快，曲线弯曲程度较大，在x/d₀=12位置之后曲线弯曲程度有所减小，轴心速度衰减开始逐渐变缓；随着送风速度逐渐增大，在x/d₀=4~14的区间范围内，曲线弯曲程度开始发生变化，其轴心速度衰减与前两种相比较为缓慢；当送风速度增大至2.4 m/s时，u_m/u₀继续增大，射流气流主体段速度衰减最小，在x/d₀=14位置之后曲线基本与前面几种工况重合。

从图10(b)可见：当送风速度u₀=0.5 m/s及u₀=0.9 m/s时，射流轴心速度衰减较快，曲线弯曲程度较大，黑色和红色2条曲线较为相似，在x/d₀=30位置之后曲线开始向下倾斜，轴心速度衰减增快，这种情况的产生原因主要是射流气流到达对侧墙壁时一部分气流受阻之后反向运动，与射流气流形成抵消作用，因此，速度减小较快；随着送风速度逐渐增大(u₀=1.4 m/s)，在x/d₀=12~24的区间范围内，u_m/u₀增大，曲线弯曲程度发生较大变化，其射流气流主体段轴心速度衰减与前两种工况相比较为缓慢；在x/d₀=24位置之后几种工况曲线基本相同。

从图10(c)可见：本组工况u_m/u₀的峰值出现在x/d₀=8左右的位置，与其他2种矩形风口的峰值位置相比较为靠后。当送风速度u₀=0.4 m/s及u₀=0.9 m/s时，曲线在x/d₀=15位置之前弯曲较为明显，说明此时射流轴心速度衰减相对较快，黑色和红色两条曲线较为相似，在x/d₀=15位置之后曲线基本保持相同的衰减速度；随着送风速度逐渐增大(u₀=1.6 m/s)，纵坐标u_m/u₀开始增大，曲线在初始位置较为弯曲，此后即沿相同规律发展，射流气流主体段轴心速度衰减与前2种工况相比较为缓慢；当送风速度增大至2.1 m/s时，曲线形态与送风速度为u₀=1.6 m/s时相比变化不大，射流气流主体段的速度衰减情况基本相同。

从图10(d)可见：本组工况u_m/u₀的峰值出现在x/d₀=12左右的位置，之后随着轴心速度不断衰减，u_m/u₀不断减小。当送风速度u₀=0.3 m/s及u₀=0.7 m/s时，射流轴心速度衰减较快，在x/d₀=12位置之前曲线弯曲程度最大，表明射流气流在进入主体段后的初始阶段轴心速度衰减较快；随着送风速度逐渐增大，x/d₀=12位置之前部分曲线弯曲程度减小，表明轴心速度衰减与前2种相比较为缓慢；当送风速度增大至2.4 m/s时，u_m/u₀继续增大，射流气流主体段的速度衰减最小，在x/d₀=14位置之后，曲线基本与前面几种工况重合。

图10  不同工况下拍摄断面的无因次轴心速度分布

Fig.10  Velocity of occupant zone (Z=130 mm) at different cases

3  结论

(1) 随着送风速度的逐渐增大，射流气流的形态也随之发生了不断变化。当送风速度较小时，射流气流基本保持水平方向运动，但气流速度衰减很快，趋势较为明显，在射流主体段末端无法形成良好的气幕。随着送风速度继续增大，射流气流能够很好地沿水平方向运动，形成完整的气幕，射流分层效果显著增强。

(2) 在采用相同送风速度的情况下，对于圆形风口，由于其紊流系数小，该射流气流的射程明显较长，且圆形风口收缩性较好，气流在竖直方向扩散不明显。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家科技部和陕西省共建“西部建筑科技国家重点实验室”开放基金资助项目(09KF11)；陕西省教育厅专项科学研究项目(11JK0948)

通信作者：李安桂(1963-)，男，山东寿光人，教授，从事通风及空气调节研究；电话：029-82202507；E-mail: liag@xauat.edu.cn