基于科恩达效应通风装置气流特性研究

 文章编号：（2017） 1003­0344 11­023­5建 筑 热 能 通 风 空 调

BuildingEnergy&Environment Vol.36No.11 Nov.2017.23~27 基于科恩达效应通风装置气流特性研究

叶雅玲 彭小勇* 胡畏 张园 南华大学土木工程学院

摘 要：采用数值模拟和实验方法研究了基于科恩达效应翼型空气诱导器的流场特征， 翼型空气诱导器能很好地 诱导周边气流贴附科恩达曲面向翼型尾部流动， 数值模拟值和实验结果的良好吻合， 验证了数值模拟方法的可靠 性。设计了以翼型空气诱导器为基本单元的新型通风装置， 数值模拟不同诱导速度和风框尺寸下通风装置流场， 分析了流场特征和通风装置诱导率变化规律。 关键词：通风装置 科恩达效应 空气诱导器 诱导率 AirflowCharacteristicofVentilationInstallationbasedonCoandaEffect YEYa­ling,PENGXiao­yong*,HUWei,ZHANGYuan CollegeofCivilEngineering,UniversityofSouthChina Abstract: TheflowfieldcharacteristicoftheairfoilinductionunitbasedonCoandaeffectwasstudiedinnumerical simulationandexperimentalmethods.Theairflowaroundtheapplianceflowedtothetailoftheairfoil,whichwas inducedtoattachtotheCoandasurfacebytheairfoilinductionunit.Goodagreementisobtainedbetweentheresultsof thenumericalsimulationandtheexperimental,andthereliabilityofthenumericalsimulationmethodisverified.The newventilationinstallationusingtheairfoilinductionunitasthebasicunitwasdesigned,andtheflowfieldofthe ventilationinstallationwassimulatedindifferentinducingvelocitiesanddifferentframesizes.theflowfield characteristicandthechangeruleabouttheventilationinstallationwasanalyzed. Keywords:ventilationinstallation,Coandaeffect,airfoilinductionunits,inductionrate 0 引言 大流量出流， 具有 科恩达效应利用小流量诱导， 流量倍增的效果和诱导流体有序流动的特点， 应用此 广泛应用在 特点衍生出性能优良的通风吹气等设备， 2009年10 工业生产和人们生活中。在民用家电方面， [1] [2] 。国内也开展了无叶风扇的相关研究， 王旱祥等 受 分析 针对出风口宽度和出风口倾角进行了数值模拟， [3] 研究了 其对科恩达曲面诱导效果的影响。张广星等 不同科恩达曲面曲率半径和不同进口直径对出口流 量和送风均匀度的影响， 分析了流场随曲率半径和进 [4] 探讨了科恩达曲面曲对 Guoqi等 口直径的变化规律。 [5] 对无叶风扇进 无叶风扇通风性能的影响。李国琪等 月，英国的发明家 JamesDyson 推出了一款新发 利用高速气流从窄缝吹出， 通过科 —无叶风扇， 明—— 恩达曲面诱导周围空气一起流动， 与传统风扇相比具 有能耗低、 噪音小、 安全性高等特点， 给人自然风的吹 风感， 并兼备了吹冷热风的功能， 被广大消费者所接 研究不同进口位置的分流 行整机流场进行数值模拟， 叶片和不同曲率对流量， 速度及压力分布的影响， 以优 化的无叶风扇通风性能。在工业应用上，依据科恩达 原理制成的气刀具有大流量、 强冲击、 低气耗、 低噪音  收稿日期：2017­3­7 通讯作者：彭小勇 （1961~）， 男， 博士， 教授； 湖南省衡阳市南华大学土木工程学院 （421001）； E­mail:pengxiaoyong@126.com ·24·建 筑 热 能 通 风 空 调 2017年

且流量均匀的特点， 广泛应用在吹气除尘， 去液干燥， 隔热降温和涂布镀锌等工业领域 [6­7] ， 张鹏程等 [8] 应用 数值模拟方法研究了无叶风扇对汽车发动机的强化 冷却作用。 专利 “科恩达翼型换气扇 （ZL201521017618.5） ” [9] 兼顾现有无叶风扇的优点， 以基于科恩达效应翼型空 气诱导器为基本单元，可组合成不同尺度和通风量， 用于室内换气的新风机和排风机，以及室内通风风 扇。本文针对此专利内容， 应用数值模拟和实验方法， 研究基于科恩达效应翼型空气诱导器的气流特性， 在 此基础上， 进一步研究以翼型空气诱导器为基本单元 的新型通风装置的气流特性和通风性能。 1 基于科恩达效应翼型空气诱导器气流特 性数值模拟和实验验证 1.1 物理模型和数值方法 以基于科恩达效应的二维翼型空气诱导器为基 本研究单元，探讨翼型空气诱导器诱导气流的性能， 翼型空气诱导器物理模型如图1所示， 其由外壳帽， 窄 缝出口和科恩达曲面组成， 外形尺寸长度为 mm， 宽度为23.5mm和窄缝出口宽度为1.4mm。 图1 二维翼型空气诱导器物理模型 图2 网格划分和计算域 描述翼型空气诱导器气流运动控制方程为定常 不可压缩N­S方程， 湍流模型选用标准 资-着 两方程模 型。采用三角形和四边形进行网格划分， 对尺寸细长 的窄缝出口采用局部网格加密处理， 其他部分网格采 用渐扩式分布， 以利于同时保证计算的准确度和满足 计算效率的要求， 计算域为 2700mm伊1600 mm， 网格 划分和计算域见图2。数值方法采用SIMPLE算法， 应 用FLUENT软件进行数值模拟， 物面边界条件满足无 滑移条件， 远场流场区域边界设为压力出口。 1.2 二维翼型空气诱导器流场数值模拟结果 翼型空气诱导器窄缝出口速度即诱导速度 V 0 15.5m/s，翼型空气诱导器周围气流流线如图3 所示， = 可见诱导气流从窄缝高速吹出， 诱导周边气流贴附科 恩达曲面向翼型尾部流动。同时，诱导翼型周围的空 气沿着出流方向流动。整个流场的流线和翼型周围的 流线均沿翼型中心线对称分布。 图3 翼型空气诱导器周围气流流线图 1.3 二维翼型空气诱导器流场数值的模拟结果实验 验证 1.3.1 实验模型和实验装置 图4给出了以数值模拟物理模型 （见图 1） 为横截 面 （长度为 mm， 窄缝出口宽度为 1.4mm）， 高度为 100mm的翼型空气诱导器实验模型照片。 图4 实验用翼型空气诱导器照片 图5为翼型空气诱导器气流实验装置，该装置由 风机， 通风管道 （管道沿流向中下部设测压孔）， 基座 含静压箱） 和翼型空气诱导器等组成， 空气经由风机 进入通风管道和静压箱， 在静压箱内稳压后流向翼型 空气诱导器， 再由翼型空气诱导器上窄缝口吹出， 诱导 周边气流向前运动。为获得良好二维气流流场，翼型 空气诱导器内置有均流网， 同时在翼型空气诱导器两 端分别设置了尺寸大小为 400mm伊300 mm 有机玻璃 平板， 以减少气流竖向存在的压力差而导致的出流不 （第36 卷第11 期 叶雅玲等： 基于科恩达效应通风装置气流特性研究 ·25·

均匀。采用皮托管和斜管微压计在通风管内多点上测 量气流总压和静压， 经计算实验装置通风量为 15.75m 3 /h， 诱导器窄缝口平均诱导速度为15.63m/s。 图5 翼型空气诱导器气流实验装置 1.3.2 翼型空气诱导器流态显示实验 为获得翼型空气诱导器气流流态， 在翼型空气诱 导器表面和尾流区域布置丝线， 以观察流动形态。 图6 为翼型空气诱导器表面和尾流区域丝线分布形态， 可 见翼型空气诱导器科恩达面上丝线分布具有良好贴 壁性和均匀性，尾流面丝线分布具有对称性和均匀 性， 因此， 翼型空气诱导器中间大部区域流态呈良好 的二维流特性。 （a） 翼型空气诱导器表面面上丝线分布

（b） 翼型空气诱导器尾流面丝线分布

图6 翼型空气诱导器气流流态 1.3.3 翼型空气诱导器尾流面速度分布 为定量获取翼型空气诱导器尾流面速度， 在其中 部区域用皮托管和斜管微压计进行压力测量， 再换算 成速度，测点位置为尾流面（Y=0） X=0.1m， 0.11m， 0.12m， 0.14m， 0.16m， 0.18m， 0.20m， 0.22m， 0.25m 和0.28m， 沿高度 Z方向为 Z=30mm， 40mm， 50mm， 60mm和70mm， 具体测定位置见图7。 图7 测点布置 图8为翼型空气诱导器尾流面速度分布和相对偏 差， 可见不同高度测点速度值具有相同的变化规律， 即 沿X 轴呈现递减趋势， Z方向实验测点的速度值呈不 均匀分布， 相对偏差均维持在10.5%以下， 气流具有良 好的均匀性和二维气流特性。 6.0 40.5 5.5 3 0mm 4 0mm 35.5 5.0 5 0mm 6 0mm 4.5 7 0mm 30.5 平 均 值 4.0 β (% ) 25.5 ) s)/3.5 %m20.5 ((V3.0 β15.5 2.5 2.0 10.5 1.5 5.5 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.5

X/m

图8 翼型空气诱导器尾流面速度分布和相对偏差 1.3.4 翼型空气诱导器尾流面速度分布数值模拟结果 实验验证 图9给出了翼型空气诱导器尾流面上述实验的平 均测量值， X 方向相同位置的速度数值模拟值和两者 的相对偏差， 可见相同点速度实验值与模拟值的相对 偏差都维持在11.5%以下， 二者吻合较好， 验证了本文 所采用数值模拟方法的可靠性。 5.5 40.5 5.0 实验值 模拟值 35.5 4.5 相对偏差 4.0 30.5 3.5 )25.5 s)/3.0 m20.5 %((2.5 Vδ2.0 15.5 1.5 10.5 1.0 5.5 0.5 0.0 0.5 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 X/m 图9翼型尾流区域模拟和实验速度值及其相对偏差 ·26·建 筑 热 能 通 风 空 调 2017年

2 以翼型空气诱导器为基本单元通风装置 气流特性数值模拟 2.1 通风装置物理模型和计算域 图 10 为以翼型空气诱导器为基本单元的通风装 置， 其基本尺寸为长度 L=320mm， 宽度 B=240mm 和 高度H=520mm，基座尺寸 320mm伊240 mm伊150 mm （基座上的诱导空气入口尺寸为 200mm伊90 mm）， 风 框 （空气通道截面） 大小为 300mm伊200 mm， 通道中设 置一个完整的翼型空气诱导器和两个半翼型空气诱 导器 （翼型形状尺寸同图 1， 高度 h=200mm）， 吹风条 缝宽度为1.4mm。 （a） 翼型空气诱导器

（b） 翼型空气诱导通风装置

图10 通风装置物理模型 图 11 为通风装置计算域，计算域为 4000mm伊 2000mm伊2000 mm的长方体， 以风框空气入口侧的中 心最低点为坐标原点。 图11 通风装置计算域 2.2 通风装置流场数值模拟结果及分析 为研究以翼型空气诱导器为基本单元的通风装 置气流特性影响因素， 应用数值模拟方法研究了不同 诱导风速的流场和诱导率， 其中诱导速度 V 0 取值 10m/s， 15m/s， 20m/s， 25m/s和30m/s。 以翼型空气诱导器为基本单元的通风装置流线 如图12所示， 气流经由基座上的诱导空气入口进入翼 型空气诱导器通风装置诱导后， 再从翼型片上的窄缝 以高速喷出， 气流沿着科恩达曲面诱导风框入口外气 流向前运动， 并诱导通风装置后方周边空气向风框中 心区域汇集，进而不断带动周围空气沿 X 轴向运动， 风框中心区域X轴向气流速度明显快于周边区域。 （a） 局部流线图

（b） Z=0.1m截面流线图

图12 诱导速度V 0=15 m/s时通风装置流线图 图 13 给出了 Z=0.15m 截面， 诱导速度 V 0 15m/s， 20m/s， 25m/s 和 30m/s 时通风装置的速度云 = 图。由于诱导气流扰动周围的空气， 带动其沿X 正向 发展， 随着诱导速度的升高， 相同速度等值线发展得越 远， 覆盖范围越大。在相邻的翼型片之间， 存在一个低 速区， 是因为从窄缝出口喷出的气流诱导周围气体沿 翼型片贴壁运动而引起的。 （a） V 0=15m/s （b） V 0= 20m/s 第36 卷第11 期 叶雅玲等： 基于科恩达效应通风装置气流特性研究 ·27·

（c） V 0=25m/s （d） V 0 =30m/s 图13 Z=0.15 m截面不同诱导速度 通风装置气流速度云图 2.3 不同尺寸风框通风装置气流诱导率 设风框出口 （X=0.24m） 截面的空气流量与诱导 空气流量比值作为翼型空气诱导器通风装置模型的 诱导率IR。风框高度h和翼型间距w（ 高宽比 k=h/w） 为： 200mm伊100 mm（ k=2）， 200mm伊150 mm（ k=4/3）， 200mm伊200 mm（k=1）， 300mm伊100 mm（ k=3）， 300 mm伊150 mm（ k=2） 和 300mm伊200 mm（ k=3/2）， 诱导 速度为V 0翼型空气诱导器通风装置气流诱导率如图= 10m/s， 15m/s， 20m/s， 25m/s和 1430所示。 m/s 时， 24 20 0m m *1 0 0m m( 2 ) 20 0m m *1 5 0m m( 4 /3 ) 22 20 0m m *2 0 0m m( 1 ) 20 30 0m m *1 0 0m m( 3 ) 30 0m m *1 5 0m m( 2 ) 18 30 0m m *2 0 0m m( 3 /2 ) 率16 导诱14 12 10 8 6 10 15 20 2 5 30 诱导速度（m/s）

图14 不同风框比和诱导速度下诱导率 由图 14可见， 当风框尺寸一定时， 诱导率随着诱 导风速的增加而减小， 且减少趋势逐渐变缓， 当诱导 速度 V 0　≧25 m/s 时， 基本趋于一致， 这是由于诱导气 流速度增大， 通风装置风框中翼型空气诱导器间的相 互干扰程度逐渐加大，风框内通道气流阻力增加所 致。当诱导风速一定时， 随着风框高宽比k 的增加， 诱 导率逐渐减少， 高宽比k=1， 诱导率最大。二个风框高 宽比相同 （k=2） 的通风装置气流诱导率基本重合， 故 相同风框高宽比， 诱导率随诱导风速的变化情况基本 一致。 3 结论 1） 流态实验表明基于科恩达效应翼型空气诱导器 气流具有较好的平直性和均匀性， 中心区域的气流具 有良好的二维特性， 翼型竖直方向的速度偏差最大值 为10.5%。 2） 翼型空气诱导器能很好的诱导周边气流贴附科 恩达曲面运动， 且具有良好的气流诱导效果， 二维翼型 空气诱导器尾流流速数值模拟结果与实验值的相对 偏差在11.4%以下， 验证了数值模拟结果的可靠性。 3） 以翼型空气诱导器为基本单元通风装置具有良 好的气流诱导作用， 中心区域气流速度和流量随着诱 导速度的增加而增加。 4）通风装置诱导率随诱导速度增加逐渐减少， 在 诱导速度为25m/s时趋于平稳。当诱导风速一定时， 诱导率随着风框高宽比增加逐渐减少， 高宽比 k=1 时 最大， 风框高宽比相同 （k=2） 时诱导率基本一致。 参考文献 [1] 胡佳威,盛楠.新时期智能无叶风扇原理探讨[J].河南科技,2014, (7):138­138. [2] 王旱祥,詹敏,徐海珍.无叶风扇绕环出口分析与优化[J]. 流体 机械,2013,41(5):19­21. [3] 张广星.无叶风扇送风性能和流场特性的研究[D]. 杭州:浙江 理工大学,2012. [4]GuoQi,YongJun,YingZi,etal.InfluenceofCoandasurface curvatureonperformanceofbladelessfan[J].JournalofThermal Science,2014,23(5):422­431. [5] 李国琪. 基于数值模拟的无叶风扇流场特性研究[D].杭州:浙 江理工大学,2015. [6] 金龙哲, 孟楠,汪澍,等.避灾硐室气刀型空气幕数值模拟研究 [J].中全生产科学技术,2013,(12):23­29. [7] 成计民,严洪凯,聂兴利,等. 热镀锌线气刀吹锌过程的数值模 拟研究[J].重型机械,2009,(2):37­40. [8] 张鹏程,董小瑞,王强.基于无扇叶风扇的发动机冷却风扇的设 计研究[J].中北大学学报(自然科学版),2016,37(5):476­481. [9] 彭小勇,叶雅玲,张园.基于科恩达效应的室内通风装置(ZL20 1521017623.6)[P].国家知识产权局,2016