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摘要     本文采用CFD方法对风压、热压和总压作用下的空气幕气流流动进行了数值模拟，并将风压模拟数据与青岛建筑工程学院的实验数据进行比较来验证数值模拟的可靠性。对封闭条件下空气幕的送风速度公式进行了回归，得出适合工程应用的计算方法。

关键词   上送式空气幕；数值模拟；工作特性；CFD

    经常有人员和货物出入的商用建筑的大门是经常开启的，采暖和空调建筑为了节能和防止室外空气对室内环境的影响，经常在建筑出入口处设置空气幕来对室外空气进行阻挡，民用建筑中常用的空气幕是上送式空气幕。相当多的上送式空气幕实际上未能达到应有的效果。究其原因，一是选用前缺乏进行设计计算，二是目前对上送式空气幕的研究尚不够充分。从查阅到的有关大门空气幕的研究论文分析，所采用的研究方法主要有两种：

（1）通过实验方法对封闭条件下的计算公式进行回归；
（2）利用理论分析的方法对公式进行推导。本文拟采用计算流体力学（CFD）的方法对上送式空气幕的抗风能力进行研究，并回归出上送式空气幕的计算公式。

1 物理模型及简化假设

    建筑物大门内外总压差Δpt的形成建立在建筑物空气质量平衡的基础上。它主要与热压Δph、风压Δpw以及建筑内送排风量、建筑上下门窗缝隙面积、内部空气通道等因素有关。一座商业建筑的大门，计算室内外压差实际上相当麻烦。本文将Δpt简化为由风压和某一中和面高度的热压所组成，而在确定建筑中和面高度时考虑其它因素的影响。因此有

2 空气幕气流数值模拟的计算区域与封闭条件

    在对大门空气幕进行数值模拟时，考虑风幕喷口影响气流流动的范围，确定计算区域（见图2），计算区域高度就是假定的中和面高度。风幕实现封闭的条件定义为：当空气幕两侧压差一定时，空气幕送风口室内气流亦随着空气幕送出的气流被卷吸到室外，浪费了大量的能量，如图3 (c)。

3 风压作用下空气幕气流组织的数值模拟

    为了对数值模拟进行验证，模拟设定的条件取青岛建工学院汤晓丽等人的上送式空气幕实验条件[1]。设计算区域室外边界（12、23）的压力分别为0.432Pa、2.029Pa、3.983Pa，室内边界（34、45）为0Pa，相当于室外风速0.84m/s、1.82m/s、2.55m/s吹向大门。并设室内外及送风口送出的空气温度相同。风口宽度分别为0.05m、0.1m、0.15m，送风方向角α0分别为10°、20°和30°，门高H=1.8m。按上述条件模拟的部分结果列于表1中。从表1可看到，除α0=10°的模拟结果与实验结果偏差稍大以外，其他条件下的偏差均不大，二者基本符合。应该指出，本文定义封闭条件与实验的定义不同，本文是以通过大门的净流量为零来界定封闭；而实验认为射流曲线为一条抛物线，以射流抛物线中心线轨迹到达ｘ轴与门框下边缘的水平线的交点时，为大门完全封闭。定义方法不同，加上实验也存在一定误差，因此两者之间一定会存在一定偏差。但变化规律模拟与实验结果是相符的，因此本文的计算模型是可信的。

    根据作者按动量定理对上送式空气幕的理论分析和文献[1]由实验结果回归的计算公式，上送式空气幕对大门完全封闭时风口风速有如下关系式：

     根据表1的数据及其它条件下的模拟结果，按上式进行回归，得到式中系数C=0.636，m=0.5944，n=-0.2022。式（4）中的Δpw 可按（2）式计算，如将式（2）代入式（4）所得

    公式（5）与文献[1]的公式十分接近。将按式（5）计算的结果列入表1中，比较由回归公式计算得到的u0与模拟所得u0，相对误差不大。根据模拟设定条件范围，公式可适用于b0=0.05~0.25m，H≤2.4m，uw≤5.7m/s(Δp≤20Pa)。

4热压作用下空气幕的数值模拟

    热压作用下数值模拟条件设定如下：边界12、23、34、45采用压力边界条件，均为0 Pa；边界12、23空气温度相等，分别为0℃、-10℃、-20℃，边界34、45取20℃。送风口为速度入口，送风口宽度取0.05m、0.1m、0.15m，α0分别为10°、20°和30°送风温度分别取20℃、30℃和40℃。门高分别取2.0、2.2、2.4m，中和面高度分别取4、、8、12m。按上述条件模拟的部分结果列于表2中。同时也可回归出热压作用下的计算公式如下：

     式中的热压差Δph，是指大门中心高度处大门内外热压差。按式（5）计算得u0与模拟值的相对误差绝对值小于4%。

5 总压作用下空气幕气流流动的数值模拟

    总压作用下数值模拟的设定条件如下：边界12、23、34、45采用压力入口边界条件，边界12、23压力相等，分别为0.595 Pa、2.102 Pa、3.983 Pa，温度分别取0℃、-10℃、-20℃，边界34、45压力相等，均为0Pa，温度均取20℃；其它几何条件同前。设定压差与温差无关，代表风压Δpw。由温度设定不同而导致的压差代表热压Δph，两项压差之和为总压差Δpt。表3给出了总压作用下达到封闭的送风速度和用式（5）、（6）计算得送风速度。从表中看出，按热压公式（6）计算得u0与模拟结果u0相比，负偏差较多一些；当总压中的热压成分大些时，偏差较小，按风压公式（5）计算的u0均稍大于按（6）式计算的u0，当总压中风压成分大时，偏差较小。

     根据上述分析，从工程应用角度，不论是风压、热压，还是全压作用于大门，都可用统一的计算公式（公式（5））来确定空气幕的送风量，以实现对大门的封闭，即

     式中Δp为全压、风压或热压，Pa。

6 结论
  
    本文采用CFD方法对空气幕气流流动进行了数值模拟，并与青岛建工学院汤晓丽等人的实验数据进行对比，表明模拟得到的空气幕运行特性与实验结果非常接近；也证明了用数值模拟方法得到的结果是可信的。在不同的设定条件下，在风压、热压和总压作用下，对空气幕的封闭特性进行了数值模拟，据此回归出了计算封闭条件下空气幕的送风速度公式。风压、热压作用下计算公式虽有差异，但为工程应用便利起见可统一地采用风压公式，即式（7），该公式具有实际应用价值。

参考文献

[1]汤晓丽,史钟璋.横向气流作用下气幕封闭特性的实验研究.建筑热能通风空调.1999(3):1～5

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