CN108253524A - 双多棱柱仿动态自然风发生器 - Google Patents

双多棱柱仿动态自然风发生器 Download PDF

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李若瑶
姬长发
张真豪
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Abstract

本发明提供了一种双多棱柱仿动态自然风发生器，包括矩形风管，矩形风管的末端设置有矩形送风口，矩形送风口内设置有卡门涡街发生器；卡门涡街发生器为两个多棱柱，两个多棱柱均与矩形送风口的长边垂直。本发明在建筑空间中，空调***处理过的空气，经送风管送到***末端，即矩形风口处，随后通过卡门涡街发生器，定常来流在绕过在卡门涡街发生器时，卡门涡街发生器两侧会周期性的脱落出旋转方向相反，排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成卡门涡街。使气流的紊流动性湍流强度增加，速度波动增大，消除机械送风的单调感。

Description

双多棱柱仿动态自然风发生器
技术领域
本发明属于暖通空调技术领域，具体涉及一种多棱柱仿动态自然风发生器。
背景技术
目前，建筑空间内的送风方式多为以稀释原理为基础的混合通风；传统的混合通风***送风口通常安装在房间顶部或侧墙中部。送风气流以自由射流的形式进入空调房间，自由射流的特点是速度高、动量大和紊流送风，因送风口在建筑空间上容易布置，不占用下部建筑空间(工作区)，自由射流混合通风至今仍然广泛使用。最常见的孔口自由射流结构如图1所示。送风方式是影响人体热舒适的主要因素，合理的送风方式不仅可改善人们的吹风舒适感，也可提高人体热舒适的温度上限，降低空调能耗。因此，可通过模仿自然风满足人体的舒适感，改进室内空调设备，促进空调设备的人性化设计。送风是改变室内热环境和影响人体热舒适的主要因素之一，不同的送风方式所形成的空气气流在速度分布、湍流强度、频谱特征等方面都存在较大的差异，而所产生的吹风感受也有很大的不同。相对于单调的机械风而言，自然风以清新、柔和、多变和舒适的动态化气流而受到人们的普遍喜爱。气流动态化、舒适化是改善建筑热环境的重要方向。
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋，射流结果如图2所示。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。1911年，德国科学家冯·卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据。但是利用卡门涡街的这种周期的、交替变化的性质，使得卡门涡街有一些很重要的应用，例如可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱落频率来确定流体的速度或流量。本发明专利就是利用卡门涡街原理，发明出一种新型空调***末端的送风口，该风口能够送出近似于自然风的动态气流，使得传统机械送风射流更加接近自然风，改善人们的吹风感受。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种多棱柱仿动态自然风发生器，解决现有技术中室内空调设备的出风不够柔和、多变和舒适的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种双多棱柱仿动态自然风发生器，包括矩形风管，所述矩形风管的末端设置有矩形送风口，所述矩形送风口内设置有卡门涡街发生器；所述卡门涡街发生器为两个多棱柱，两个多棱柱均与矩形送风口的长边垂直。
进一步地，所述矩形送风口两个相对的长边内壁上设有导轨，卡门涡街发生器的两端分别设置在导轨内，并可沿导轨进行左右移动。
进一步地，还包括用于调节卡门涡街发生器在导轨中左右移动频率的控制机构。
进一步地，所述卡门涡街发生器在导轨中左右移动的频率为6次/min～15次/min。
进一步地，所述卡门涡街发生器的外边缘与矩形送风口的外边缘齐平。
进一步地，所述多棱柱可以为3棱柱或5～9棱柱。
进一步地，当所述多棱柱为5～9棱柱时，所述多棱柱的周长与矩形送风口长边边长的比值为0.25～0.70。
进一步地，当所述多棱柱为3棱柱时，所述多棱柱的周长与矩形送风口长边边长的比值为0.06～0.19。
进一步地，所述多棱柱的材料为木质、塑料或金属。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明采用一体化构成，结构简单，安装拆卸方便。在建筑空间中，空调***处理过的空气，经送风管送到***末端，即矩形风口处，随后通过卡门涡街发生器，定常来流在绕过在卡门涡街发生器时，卡门涡街发生器两侧会周期性的脱落出旋转方向相反，排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成卡门涡街。使气流的紊流动性湍流强度增加，速度波动增大，消除机械送风的单调感。另外由于其湍流强度增大，使人体在与环境的对流交换中的对流换热量增大，因而增强了气流的冷却效果，人员感到更加舒适。
附图说明
图1是圆形孔口自由射流结构示意图；
图2是卡门涡街示意图；
图3是一实施例下本发明双多棱柱仿动态自然风发生器结构示意图；
图4是一实施例下本发明双多棱柱仿动态自然风发生器结构示意图；
图5(a)是本发明机械风时双五棱柱风速概率分布直方图；
图5(b)是当卡门涡街发生器周长取80mm时双五棱柱风速概率分布直方图；
图5(c)是当卡门涡街发生器周长取225mm时双五棱柱风速概率分布直方图；
图6(a)是本发明机械风时双七棱柱风速概率分布直方图；
图6(b)是当卡门涡街发生器周长取80mm时双七棱柱风速概率分布直方图；
图6(c)是当卡门涡街发生器周长取225mm时双七棱柱风速概率分布直方图；
图7(a)是本发明机械风时双九棱柱风速概率分布直方图；
图7(b)是当卡门涡街发生器周长取80mm时双九棱柱风速概率分布直方图；
图7(c)是当卡门涡街发生器周长取225mm时双九棱柱风速概率分布直方图；
图8(a)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25时双五棱柱的湍流强度云图；
图8(b)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25时双五棱柱的速度等值线图
图9(a)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25时双七棱柱的湍流强度云图；
图9(b)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25时双七棱柱的速度等值线图
图10(a)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25时双九棱柱的湍流强度云图；
图10(b)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25时双九棱柱的速度等值线图
图11(a)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.70时双五棱柱的湍流强度云图；
图11(b)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.70时双五棱柱的速度等值线图
图12(a)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.70时双七棱柱的湍流强度云图；
图12(b)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.70时双七棱柱的速度等值线图
图13(a)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.70时双九棱柱的湍流强度云图；
图13(b)是本发明当单个多棱柱卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.70时双九棱柱的速度等值线图；
图14(a)是本发明机械风时的风速概率分布直方图；
图14(b)是本发明当卡门涡街发生器棱边朝风管外侧边长取20mm时的风速概率分布直方图；
图14(c)是本发明当卡门涡街发生器棱边朝风管外侧边长取60mm时的风速概率分布直方图；
图15(a)是本发明当单个三棱柱卡门涡街发生器棱边朝风管外侧边长与矩形风口长边比值为0.19时的湍流强度云图；
图15(b)是本发明当单个三棱柱卡门涡街发生器棱边朝风管外侧边长与矩形风口长边比值为0.06时的速度等值线图；
图中各个标号的含义为：1-矩形风管，2-矩形送风口，3-卡门涡街发生器，4-控制机构。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是如图3、图4所示，本申请中矩形送风口2的两个长边指的是图中的顶边和底边，本申请中的左、右指的是沿矩形送风口长边延伸的两个方向。
在建筑空间中，空调***处理过的空气，经送风管送到***末端，即矩形风口2处，随后通过卡门涡街发生器3，定常来流在绕过在卡门涡街发生器3时，卡门涡街发生器3两侧会周期性的脱落出旋转方向相反，排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成卡门涡街。使气流的紊流动性湍流强度增加，速度波动增大，消除机械送风的单调感。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
遵从上述技术方案，如图3至图4所示，本实施例给出一种双多棱柱仿动态自然风发生器，包括矩形风管1，矩形风管1的末端设置有矩形送风口2，矩形送风口2内设置有卡门涡街发生器3。本实施例中利用卡门涡街发生器产生的涡旋气流模拟自然风柔和、多变和舒适的吹风感受。这种送风装置不仅可改善人们的吹风感受，也可提高人体热舒适的温度上限，降低空调能耗。也有助于改进室内空调设备，促进空调设备的人性化设计，提高室内温度环境品质。
本实施例中的卡门涡街发生器3为两个多棱柱，两个多棱柱均与矩形送风口2的长边垂直，多棱柱可以为3棱柱或5棱柱～9棱柱，多棱柱的材料为木质、塑料或金属。
当多棱柱为5棱柱～9棱柱时，多棱柱的周长与矩形送风口2长边边长的比值为0.25～0.70，当比值小于0.25时，卡门涡街现象不明显，仿自然风效果不好，当比值大于0.70时，一方面卡门涡街现象不明显，另一方面会影响风管的送风量。
当多棱柱为三棱柱时，三棱柱的直径与矩形送风口2长边边长的比值为0.25～0.70，当比值小于0.25时，卡门涡街现象不明显，仿自然风效果不好，当比值大于0.70时，一方面卡门涡街现象不明显，另一方面会影响风管的送风量。
本实施例中矩形送风口2两个相对的长边内壁上设有导轨，卡门涡街发生器3的两端分别设置在导轨内，并可沿导轨进行左右移动。这样，通过左右移动卡门涡街发生器3可使矩形送风口2送出的风能够实现左右扫吹，不会只集中在一点吹风，人体感觉更加舒适。为了更加智能化，本实施例还包括用于调节卡门涡街发生器3在导轨中左右移动频率的控制机构4，其可以控制卡门涡街发生器3在导轨中左右移动的频率为6次/min～15次/min。
本实施例为了验证双多棱柱仿动态自然风发生器的出风特性，提过下面两个实施例：
实施例1：
当多棱柱为5～6棱柱时，提供房间长×宽×高为10×8×6m，矩形风管末端尺寸为320mm×250mm；送风速度为4m/s；矩形风口距地面高度为4800mm；矩形风口个数为4个；卡门涡街发生器的棱柱周长分别取：800mm、225mm；回风口2个，尺寸为400×200mm。
本实施例采用κ-ε双方程模型进行模拟计算,控制方程式在上面假设的基础上,得到κ-ε湍流数学模型的各时均值控制方程,以张量形式表示。建立控制方程组如下：
连续性方程：
动量方程：
能量方程：
其中：i＝1,2,2；j＝1,2,3；u为室内空气速度；k为湍流脉动动能；T为室内空气温度；μ为层流动力粘度；μt为湍流动力粘性系数；p为空气压力；ρ为空气密度；Cp为定压比热容；q为热流密度；β为流体体积膨胀系数；c为烟气浓度；Fc为烟气发生率；cc为常数；Pr为普朗特数。
气流流速波动程度可用湍流强度来表示。湍流强度定义为速度波动的标准差与平均速度之比，它表示了某一时段内的风速波动水平。
由大气环流而引起的自然风多处于湍流状态下，其气流的运动形态极不稳定。
取风管中轴线上距离出风口距离分别为200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm五个点，记A1、A2、A3、A4、A5。利用Fluent软件进行模拟。当卡门涡街发生器(3)周长取80mm、225mm即卡门涡街发生器周长与矩形风口长边比值为0.25、0.70时，五棱柱、七棱柱、九棱柱的仿自然风与机械风(即送风管道末端不添加卡门涡街发生器)湍流强度模拟结果见表1，各组速度结果见附图5～7。
表1卡门涡街发生器周长取80mm、225mm时各点湍流强度
实施例2：
当多棱柱为三棱柱时，本实施例房间长×宽×高为10×8×6m；末端风管尺寸为320mm×250mm；出风速度为4m/s；矩形风口距地面高度为4800mm；矩形风口个数为4个；卡门涡街发生器的边长分别取：20mm、60mm；回风口2个，尺寸为400×200mm。
为了验证所述双三棱柱仿动态自然风发生器的出风特性，将所模拟建筑空间内的气体流动视为不可压缩流体；同时空气温度变化不大,即密度变化不大,因此可认为室内空气流动符合Boussinesq假设。为此选用采用κ-ε双方程模型进行模拟计算,控制方程式在上面假设的基础上,得到κ-ε湍流数学模型的各时均值控制方程,以张量形式表示。建立控制方程组如下：
连续性方程：
动量方程：
能量方程：
其中：i＝1,2,2；j＝1,2,3；u为室内空气速度；k为湍流脉动动能；T为室内空气温度；μ为层流动力粘度；μt为湍流动力粘性系数；p为空气压力；ρ为空气密度；Cp为定压比热容；q为热流密度；β为流体体积膨胀系数；c为烟气浓度；Fc为烟气发生率；cc为常数；Pr为普朗特数。
气流流速波动程度可用湍流强度来表示。湍流强度定义为速度波动的标准差与平均速度之比，它表示了某一时段内的风速波动水平。
由大气环流而引起的自然风多处于湍流状态下，其气流的运动形态极不稳定。
取风管中轴线上距离出风口距离分别为200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm五个点，记A1、A2、A3、A4、A5为三棱柱棱边朝风管外侧的点；记B1、B2、B3、B4、B5为三棱柱棱边朝风管外侧的点。利用Fluent软件进行模拟；当卡门涡街发生器(3)直径取20mm、60mm即卡门涡街发生器边长与矩形风口长边比值为0.06、0.19时，仿自然风与机械风(即送风管道末端不添加卡门涡街发生器)湍流强度模拟结果见表2，各组速度结果见附图14～15。
表2卡门涡街发生器边长取20mm、60mm时各点湍流强度
通过模拟，得到与传统的矩形风口所送出的机械风的风速变化相比较，由双多棱柱动态自然风发生器送出的仿自然风的速度波动较大，仿自然风的湍流强度也大于机械风的湍流强度。这会使人们感受到仿自然风的气流波动。仿自然风的气流波动变化可使人产生到自然、清新和舒适感。减小了机械风吹拂的单调感。另一方面由双多棱柱仿动态自然风发生器送出的仿自然风的湍流强度较大，使人体在与环境的对流交换中的对流换热量增大，因而增强了气流的冷却效果。气流的湍流强度对冷却效果的影响是明显的，但也应注意到湍流强度对人体热舒适的影响。当湍流度过大时，因过大的气流波动而引起的强烈阵风会造成人体不适。
另外与传统的机械风相比较，仿自然风的速度变化范围很大，而且是随机和不确定的。从目前的研究看，机械风的速度分布呈较规则的正态分布，由双多棱柱仿动态自然风发生器送出的仿自然风的速度分布却并非呈完全随机变量的正态分布，而是由于受到湍流的间接性的影响，使速度分布偏离正态分布。风速分布呈偏态分布的仿自然风比呈正态分布的机械风具有更好的接受性。这主要是由于偏态分布的气流更易使人们感到风速的起伏波动变化，而且低风速作用时间较长，也减弱了吹风的疲劳感。

Claims (9)

1.一种双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，包括矩形风管(1)，所述矩形风管(1)的末端设置有矩形送风口(2)，所述矩形送风口(2)内设置有卡门涡街发生器(3)；所述卡门涡街发生器(3)为两个多棱柱，两个多棱柱均与矩形送风口(2)的长边垂直。
2.根据权利要求1所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，所述矩形送风口(2)两个相对的长边内壁上设有导轨，卡门涡街发生器(3)的两端分别设置在导轨内，并可沿导轨进行左右移动。
3.根据权利要求2所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，还包括用于调节卡门涡街发生器(3)在导轨中左右移动频率的控制机构(4)。
4.根据权利要求3所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，所述卡门涡街发生器(3)在导轨中左右移动的频率为6次/min～15次/min。
5.根据权利要求1所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，所述卡门涡街发生器(3)的外边缘与矩形送风口(2)的外边缘齐平。
6.根据权利要求1所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，所述多棱柱可以为3棱柱或5～9棱柱。
7.根据权利要求6所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，当所述多棱柱为5～9棱柱时，所述多棱柱的周长与矩形送风口(2)长边边长的比值为0.25～0.70。
8.根据权利要求6所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，当所述多棱柱为3棱柱时，所述多棱柱的周长与矩形送风口(2)长边边长的比值为0.06～0.19。
9.根据权利要求1所述的双多棱柱仿动态自然风发生器，其特征在于，所述多棱柱的材料为木质、塑料或金属。
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