摘要：由于水平风管与方型散流器接管不当，导致气流进入散流器喉部扰动较大，从而使散流器四面出风不均匀，影响了室内气流的分布.以散流器四面出风的均匀性指标为研究对象，以数值计算为研究手段，结合实际工程测试数据，对不同风速下改进型散流器的气流分布进行了计算分析，提出了增加散流器喉部导流装置的高度以及在喉部设置角度可调的导流叶片的两种技术措施，并建立了相应的测试平台.测试结果表明，改进后的导流叶片更易平衡垂直于送风方向散流器出口两侧的送风量，从而较易保证散流器四面出风的均匀性，显著提高散流器整体的送风均匀性，较大地改善了室内舒适度.
关键词：方形散流器;喉部结构;数值计算;气流分布
中图分类号：TU834.5 文献标识码：A
AnalysisoftheEffectofSquareDiffuserThroat
ontheUniformityofAirFlow
WANGYong1，2，SUKai3，DAIXilei1，2，ZHOUWuyang1，2
（1.KeyLaboratoryoftheThreeGorgesReservoirRegion'sEcoEnvironment，MinistryofEducation，
ChongqingUniv，Chongqing400045，China;2.NationalCentreforInternationalResearchofLowcarbonand
GreenBuildings，ChongqingUniv，Chongqing400045，China;3.ChinaSouthwestArchitecturalDesign
andResearchInstituteCo，Ltd，The10thDesignDept（CSWADIChongqingBranch），Chongqing400045，China）
Abstract：Duetothehorizontalairductandtheimproperlyconnectedsquarediffuser，theairflowenteringthethroatofthediffusercauseslargedisturbance.Consequently，itmakesthediffuser'sairsupplyunevenfromallsides，andeventuallyaffectsthedistributionofindoorair.Tostudytheeffectofthethroatstructureontheuniformityofairflow，thispaper，basedonthecomputationalfluiddynamic（CFD），combinedpracticalengineeringtests，calculatedandanalyzedtheairdistributionofimproveddiffuserunderdifferentwindspeedsandproposedanimprovedschemeofdiffuser，namely，increasingtheheightofthediffuserthroatandsettingguidevaneswithadjustableanglesinthethroat.Andanimproveddiffusertestplatformwasestablishedtogetthecontrasttestdatathroughexperimentsandtests.Thetestdatashowthattheimprovedguidevanescanmoreevenlybalancetheairsupplyofthediffuseronbothsidesoftheperpendiculartotheflowdirection，sothatthediffusercaneasilyensuretheuniformityofthewindonallsides，andtheuniformityofairdistributionincreasessignificantly.Asaresult，theindoorcomfortlevelisimprovedsubstantially.
Keywords：squarediffuser;throatstructures;numericalcalculation;airdistribution
合理的气流分布是确保室内达到最佳热舒适度以及良好的空气品质的前提和必要条件.室内气流分布是个较为复杂的问题，它受到多种因素的影响，如：建筑物几何形状、送风口结构形式、位置以及射流参数、排风口位置、内部障碍物以及由居住人员或设备产生的热形成的浮升力等[1].
对于已交付且投入使用的建筑物来说，影响室内气流分布的主要因素为送风射流参数.在实际空调工程中，送风口多采用方形散流器，散流器是空调系统的末端设备，直接将处理后的空气送入房间中.空气流经散流器产生特定的速度场和温度场，影响房间的温湿度参数、气流速度和人的舒适度.因此散流器的射流效果是影响空调系统实际运行效果的重要因素.合理设计的散流器可以使房间空气充分混合，解决温度分层和空气滞流的问题，改善室内工作环境同时也降低了建筑能耗.
国外对散流器的研究较早，1978年，Nielsen等首次成功地在CFD数值模拟中使用“盒子方法”[2]，该方法是用一个假想的“盒子”包围风口或散流器，原风口或散流器出口位置的入流参数用该“盒子”的边界参数代替，在二维情况下，风口用一个矩形包围;在三维情况下，风口则用一个长方体包围.
Djunaedy等[3]研究了在微观层面上不同散流器模型的描述方法对室内空气流动状况预测精度的影响，提出了一种用kε双方程模型描述散流器的方法，该方法简单，同时不会影响预测结果的精度.Sun等[4]同样也研究了带方形散流器的室内空气流动特性，其研究结果可用于改善空调房间送风和回风装置的设计和布置. 赵彬等[5]用N点风口动量模型和一个新零方程湍流模型对某办公室方型散流器空调的室内温度场和速度场进行了模拟，并和实验数据进行对比，计算所得速度和温度分布与实测值吻合得很好，可用于指导和优化同类空调通风气流组织设计.
樊瑛等人[6]研究了方形散流器的送风参数对室内气流分布的影响规律，结果表明，在室内热源和控制温度不变时，随着送风速度的增大，送风温度升高，送风温差减小，室内工作区的空气分布特性指标增大.
付斌等[7]针对已有的风口模型相对于具体设备而言缺乏针对性，且不便于实际操作，不适应工程模拟需要的缺点，以工程中常用的方形散流器为研究对象，从其结构入手进行分析，得到流速分布曲线及计算式，进而提出一种简便易行的描述方法，并应用该描述方法所得出的模拟结果对传统的散流器设置方式提出改进意见.
虽然目前国内外对散流器的送风优化角度、气流组织特性研究比较多，但大多数是假定方形散流器四面出风均匀，研究送风进入空调房间后的室内温度场及速度场的分布情况，对送风由主风管进入散流器喉部这段的速度场研究较少.Ren等人[8]讨论了散流器四面射流不均对室内气流分布的影响，并提出了如果不考虑实际情况下散流器的射流不对称性可能导致模拟效果不好的结论，但并未给出相应的解决方案.
实际工程中发现方形散流器喉部气流分布较差，四面出风不均匀且差距很大，从而影响了室内气流分布及热舒适度.笔者在已有研究成果的基础上，针对工程上易出现的方形散流器出风不均匀，从机理上分析了不均匀性的成因，并通过数值计算方法对方形散流器喉部的速度场分布特征进行了计算分析，验证了理论分析的结果，研究了其对室内气流分布的影响，提出了工程应用的改进措施.
1物理模型及数学模型的建立
研究方型散流器的出风均匀性以及喉部结构的改善，应建立散流器送风的物理模型和数学模型，通过数值求解方法，寻求最佳的结构型式.
1.1物理模型
研究对象共2个，一个为空调送风末端管道模型，风管截面为320mm×200mm，末端接一个喉部截面为220mm×220mm的散流器，喉管长度分别取为0.1，0.2，0.3m进行数值计算.另一个为风机盘管接风管送风模型，送风管截面为1250mm×245mm，风管长5m，风管接两个喉部截面为220mm×220mm的散流器，喉管长度为0.3m，两风口相隔3.5m.由于风管四周包裹保温材料，故风管四周视为绝热.如图1所示.
1.2数学模型
方程求解：空调送风为不可压缩流体，计算时采用单精度求解器，定常流动，湍流模型采用标准kε双方程模型，通用微分方程采用有限容积法进行离散，数值差分格式采用一阶迎风格式，求解算法为SIMPLE算法[9-10].质量、动量以及湍动能参数等控制方程均为计算流体力学经典内容，此处不再赘述.
1.3边界条件和初始条件设置
风管入口设为速度进口，根据空调末端、支干、主干风管设计风速，物理模型1的风管入口风速分别设定为4，6和8m/s，然后进行对比计算;物理模型2的入口风速设定为6m/s并进行计算;送风温度均设置为26℃;出口为充分发展出口，其余边界全部设为绝热壁面，整个流场用速度入口边界条件进行初始化.
1.4模拟结果及分析
通过Gambit软件进行模型建立，为使模拟效果更加接近实际，划分网格时，进行了网格的无关性检验，经计算分析，模型1网格间距取为0.005个单位，喉管长度分别取为0.1，0.2，0.3m时对应的网格数分别为55.072，58.944，62.816万.模型2网格间距取为0.1个单位，网格数为127.904万;由于物理模型结构较为规整，划分网格时，均采用六面体式结构化网格进行划分.完成网格划分后，将其导入Fluent软件进行模拟计算，模拟了不同水平风管风速V入及喉管长度L下，风管及散流器喉部截面的流场分布，对比分析后，得出了V入及L对其流场分布的影响;同时，建立了风机盘管送风模型，得出其流场分布特点.当连续性方程、各向速度值、k值和epsilon值的残差均达到1×10-3及能量方程残差值达到1×10-6时收敛.风管末端接散流器模型网格划分示意图如图2所示.
1.4.1水平风管风速V入对散流器喉部流场分布的影响
图3为喉管长度L=0.3m时，不同水平风管风速V入下，末端风管及喉部出口截面的速度分布图.由图3所示的计算结果看出，不论V入取值是多少，喉管内流场分布特点均一样，反映在方形散流器喉部截面上，即：速度的最大值和最小值出现在喉部截面垂直于水平风管气流方向的两侧，且靠近上风向侧存在一定范围的流场“死区”（详见喉部截面速度分布图），速度几乎为0，下风向侧速度为整个流场中的最大值，两边气流分布不合理;喉部截面沿水平风管气流方向的两边流场分布较均匀，分布较为合理（图中线条均为速度等值线，与风管外边界模型无关，并不代表风管的接入方式.实际风管模型均为统一直通支管，而非弯头）.
1.4.2喉管长度L对散流器喉部流场分布的影响
实际工程中，散流器接风管的喉管长度L约为0.1～0.3m，其中，喉管定义为水平风管接散流器喉部的竖直管段.在其他条件相同的情况下，分别取L=0.3，0.2，0.1m进行数值计算，结果分别如图3（a），图4（a），图4（b）所示.
布越均匀，流场越好;同时，喉部截面高流速区面积越小，四面风速差异越小，更加合理.竖直短管的长度由水平风管与室内吊顶之间的距离决定，实际安装时，在满足其他条件合理的情况下应尽量缩短散流器与水平短管之间的距离，以使散流器喉部的流场更加接近水平风管内的流场，散流器四面出风更加均匀，更加利于室内气流组织的分布.
1.4.3不同风量对散流器喉部流场分布的影响
实际工程中，为了满足不同场合的吊顶需求，风机盘管有时需要接出一段水平风管以满足下送风的要求.由于风口位置不同，导致送风到达各风口的沿程阻力不同，动、静压也不同，从而使各出风口送风量不同，且风口离风机盘管出口越近，送风量越大.为探究不同位置、不同风量的散流器喉部气流分布状况，对图1（b）所示的物理模型2进行网格划分（图5），数值计算结果如图6所示. 由图6可知，方形散流器A（靠近风机盘管出口）、B（靠近风管末端）喉部截面均出现流场分布不均的情况，分布特点如前文所述;由于散流器A，B所处风管位置不同，其流场不均匀性有所差异，具体表现为：散流器A喉部流场分布更加不均匀，整个流场速度较大且喉部前后速度差较散流器B大;散流器B虽然喉部也存在流场分布不均的特点，但气流组织较A好，分布相对均匀.其成因涉及两方面：①散流器A，B位置不同，导致靠近风机盘管出风口的散流器A送风量更大，喉管内气流扰动更强，进而使得喉部流速整体较散流器B大，且气流组织更加不均匀;②风管末端的挡板对气流起到一定的导流作用，使得散流器B喉部气流组织分布较均匀.
2方形散流器风速测试及分析
针对数值计算结果，课题组对散流器四面出风不均匀性进行了实际工程测试与分析.
2.1工程概况及测试内容
本工程为重庆市某机关食堂，冷热源采用水环热泵系统，末端采用风机盘管加独立新风系统，风机盘管接风管后向室内送风;室内送风口采用方形散流器，回风采用单层百叶风口.测试内容为方形散流器四边的出风速度，测试选取5组FP，共计10个送风口，按不同位置将散流器分为Ai，Bi两组，其中i=1，2，3，4，5.测试模型及测点布置平面图如图7所示.
2.2测试结果及数据分析
2.2.1测试结果
测试选在室外温度不同的3d进行，每天在食堂早饭后10点左右进行测试，测试时间为：7月9日室外温度36℃，7月10日室外温度33℃，7月11日室外温度32℃.风口各测点风速测试结果如图8和图9所示.
2.2.2数据分析
从测得的数据看出，各风口测点1的风速均大于测点2的风速，且差值较大，相差最大的一组出现在A2散流器，两边风速分别为0.85，8.17m/s，差值为7.3m/s;风速不同，送风量也不同;而测点3，4的风速相差不大;同时看出，散流器Ai各测点的风速普遍较散流器Bi相应测点风速大，Ai四面出风较Bi更加不均匀.
散流器四面出风的不均匀性严重影响了其射流半径，对室内的气流组织产生了不利影响，测试人员位于室内活动区能明显感到吹风感不均匀，且四面出风的不均匀性又导致出风温度的不同，在一定程度上降低了舒适度.测试结果同模拟结果吻合，再次说明空调送风进入散流器喉部之前扰流太大，导致散流器四面出风不均匀.
3方形散流器喉部结构改进实验及分析
3.1改进后的散流器
虽然一般方形散流器喉部均有导流装置，但其导流叶片对四面出风无针对性，导流作用有限，送风进入方形散流器后，仍然会出现四面出风不均匀的现象，这点由上述测试结果也得到验证.若要解决其出风不均匀的问题，必须改进散流器的喉部导流装置，使其导流叶片能够更加均匀地平衡散流器垂直于来流方向两侧的出风量，为此，笔者特提出2种带新型喉部导流装置的方形散流器模型.
首先，加长散流器喉部导流装置的高度，缩短其喉部与水平风管的距离，由上述模拟结果可知，这样能使进入散流器喉部截面的送风具有更合理、均匀的气流组织分布;其次，优化喉部导流叶片的结构，使其导流更具针对性，其结构示意图如图10所示.
为区别于不考虑安装方向的普通方形散流器，改进后的散流器侧身设置标示安装方向的箭头;喉部设置具有一定倾角a（a大小可调）的导流叶片，当散流器出风口离水平风管竖直距离较远时，调小倾角a，反之，将倾角a调大，方案1适用于吊顶距水平风管较近，散流器到水平风管安装距离有限时使用，此时在喉管仅设置斜向导流叶片.方案2结构较复杂，导流叶片出口至喉部末端的突扩口留有一定高度的“空腔”，起到“混风箱”的作用，以使导流后的送风混合更加均匀，适用于吊顶距水平风管较远，散流器到水平风管安装距离不受限制时使用.
3.2实验验证
3.2.1实验测试平台
实验由一台轴流式风机送风，风量为2000m3/h，风压为59Pa，风机功率为0.12kW;水平风管规格为320mm×200mm，长2.5m，风管上接两个散流器，靠近风机侧散流器为A，靠近风管末端侧散流器为B.A，B相隔1.5m，喉管规格为220mm×220mm，高10cm，水平风管通过天圆地方与轴流风机相接.实验平台如图11所示.
3.2.2实验方案及测试结果
通过以下几组不同工况的对比试验对改进后的导流装置效果进行验证，各工况如表1所示，测试中通过不断调整，当导流叶片倾角a为70°～80°时，导流效果较好.测试结果如图12和图13所示.
3.2.3实验结果分析
1）对比工况a和工况c、工况a和工况d的测试结果可看出，2种导流叶片均能起到预期的导流作用，相比于未添加导流装置，安装导流叶片后，方形散流器四面出风明显均匀，尤其是散流器垂直于水平风管的两侧，即测点1和测点2所在的两侧，风速差值明显减小，出风更加均匀.对比工况b和工况c，工况b和工况d的测试结果可看出，改进后的2种导流装置效果均优于传统的导流装置.
2）均匀性分析：由于各个工况下，4个测点风速的平均值不同，不宜采用标准差验证送风均匀性，因此，在标准差的基础上，利用标准差系数来检验不同工况下散流器的送风均匀性.标准差系数定义为：
Vσ=σ/.
式中：为散流器各测点风速平均值，m/s;σ为散流器各测点风速标准差，m/s;Vσ为标准差系数.计算结果如表2所示.
由表2可知，在工况c，d下，散流器A，B的标准差系数均小于工况a，b，且散流器A，B在测试工况d下标准差系数比工况c分别减小81.8%，58.8%.由此可以认为，改进后的散流器确实能起到改善送风均匀性的效果，且方案2能够起到更好的效果.
4结论
1）通过实际工程测试表明，方型散流器确实存在出风不均匀性的问题.通过CFD技术，建立散流器模型，并利用数值计算方法进行了计算分析，其计算结果与实际工程测试结果一致.说明该计算模型相对准确，可以应用于工程. 2）安装风口时，在一定范围内，方形散流器离水平风管竖直距离越短，其喉部截面流场分布越均匀，四面出风越均匀.实际安装时，在满足其他条件合理的情况下应尽量缩短散流器与水平短管之间的距离，以保证散流器喉部的流场更加接近水平风管内的流场，散流器四面出风更加均匀，同时有利于室内气流组织的分布.
3）针对普通散流器喉部导流叶片作用有限，本文提出一种改进型散流器模型，由于改进型散流器的导流作用更具针对性，导流叶片能够更加均匀的平衡散流器垂直于来流方向两侧的送风量，从而使散流器较易保证四面出风的均匀性，降低了不均匀性.实验测试结果与理论分析结果一致，该改进型散流器可以应用于工程实际.
参考文献
[1]ZHANGJS，CHRISTIANSONLL，RISKOWSKIGL.Regionalairflowcharacteristicsinamechanicallyventilatedroomundernonisothermalconditions[J].ASHRAETransactions，1990，96（1）：751-759.
[2]NIELSENPV，RESTIVOA，WHITELAWJH.Thevelocitycharacteristicsofventilatedrooms[J].TransASMEJournalofFluidsEngineering，1978，100（3）：291-298.
[3]DJUNAEDYE，CHEONGKWD.Developmentofasimplifiedtechniqueofmodellingfourwayceilingairsupplydiffuser[J].BuildingandEnvironment，2002，37（4）：393-403.
[4]SUNY，SMITHTF.Airflowcharacteristicsofaroomwithsquareconediffusers[J].BuildingandEnviro，2005，40（5）：589-600.
[5]赵彬，李先庭，彦启森.方型散流器空调室内空气流动的数值模拟[J].力学与实践，2002，24（5）：25-27.
ZHAOBin，LIXinting，YANQisen.Numericalsimulationofairdistributioninsidearoomairconditionedbyasquarediffuser[J].MechanicsinEngineering，2002，24（5）：25-27.（InChinese）
[6]樊瑛，郑庆红.方形散流器送风参数对气流分布影响实验研究[J].建筑热能通风空调，2005，24（5）：94-97.
FANYing，ZHENGQinghong.Studyontheimpactofsupplyairparametersofsquarediffusersonairdistribution[J].BuildingEnergyandEnvironment，2005，24（5）：94-97.（InChinese）
[7]傅斌，李晓冬.对方形散流器送风口的数值描述方法及应用[J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2004，20（2）：162-166.
FUBin，LIXiaodong.Anumericalmethodfordescribingsquarediffusionsanditsapplication[J].JournalofHarbinUniversityofCommerceNaturalSciencesEdition，2004，20（2）：162-166.（InChinese）
[8]RENH，ZHAOB，LIX，etal.Influenceofdiffuserjetcharacteristicsonindoorairdistributionunderactualconnectingconditions[J].JournalofArchitecturalEngineering，2003，9（4）：141-144.
[9]蔡德源，关彦征，曾燕琳.低温送风系统散流器的性能评价[J].西南交通大学学报，2002，37（1）：86-89.
CAIDeyuan，GUANYanzheng，ZENGYanlin.Evaluationofperformanceofcoldairdistributiondiffuser[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity，2002，37（1）：86-89.（InChinese）
[10]马扬.一种列车用V型百叶窗气粒分离特性的数值模拟[D].长沙：湖南大学土木工程学院，2003：8-15.
MAYang.NumericalsimulationoftheseparationofgasandparticlesofoneVshapedlouverfilterservicedtrain[D].Changsha：CollegeofCivilEngineering，HunanUniversity，2003：8-15.（InChinese）
