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关 键 词：吹吸式通风系统；障碍物；流场测试；发烟实验；数值模拟
中图分类号：TD724文献标识码： A
1引言
对于障碍物的研究在国内外都比较少，但实际应用中障碍物经常难以避免，其对流场的影响也比较大，会在流场中形成涡流区，严重的可以导致气流回流，甚至是逃逸，使捕集效率下降[1]。本文模拟实际工程中的工作人员作为流场中的障碍物，研究障碍物对吹吸式通风系统流场特性的影响。
2吹吸式通风装置的设计方法
2.1吹吸式通风系统的设计计算
流量比法[2] [3]是先定义吹风气流量Q1，而回风量Q3则是吹风量Q1和周围诱导空气量Q2之和，诱导空气量Q2包括干扰气流和污染气流，三者的关系式为：Q3=Q1+Q2。当定义Q1和Q2的比为流量比，那么Q3就是他们的函数，便可以写成：Q3= Q1（1+ Q2/Q1）。极限流量比用KL表示，那么上式就可以写成Q3= Q1（1+KL），其中KL =( Q2/Q1)lim,极限流量比跟吹、吸风口的尺寸比以及干扰气流的大小有关，所以在实际设计中要考虑一个安全系数m，固公式变为：Q3= Q1（1+mKL）。二维吹、吸气流的流态形式如图2.1所示：
图2.1 吹吸气流的相关尺寸
2.2实验台的介绍
本实验台按照上述方法设计搭建，系统装置如图2.2所示：
a 吹吸装置实验台设计示意图b 吹吸式通风系统实验台全景图
图2.2 吹吸装置实验台设计示意图和全景图
本实验台在极限流量比设计法的基础上，通过调整吹风口，使送风均匀同向的一种吹吸式通风装置[4] [5] [6]，实验台设计于大小为11.28m(长)×7.05m(宽)×3.27m(高)的实验房间中，实验区域为7m(长)×5.45m(宽)×3.27m(高)，占地面积约为38.2㎡的一处宽阔区域。
2.2.1吹吸风口气流均匀性验证
当送风口为普通风口时，经测试其气流的分布均匀性远不能满足要求，而通过改进的多孔型风口，其气流分布的均匀性得到了明显的提高。并且，开孔率对气流分布的均匀性影响较大，以开孔率小者为佳，但对于工业厂房，当存在对固体粉尘颗粒等污染物进行有效控制时，应用较小的开孔则要防止其对风口的堵塞。本实验台所设置送风形式如图2.3 a～b所示：
a 实验台送风口图 b 内部孔板图
图2.3 吹吸装置实验台吹风口图和内部孔板图
3含障碍物的吹吸式通风系统流场测试
3.1障碍物不同位置工况的实验测试
障碍物在工程实际中经常难以避免，其存在于流场中会形成钝体扰流，出现涡流区，严重的可以破坏流场使得污染物逃逸，从而导致吹吸式通风系统控制能力下降。常见的障碍物基本分为三类：工作人员，操作工具和生产样品。其中最为常见是工作人员，固本文模拟操作人员作为流场中的障碍物。
所选择的人体障碍物为男性的工作人员且静坐于吹吸式通风系统流场中，按照障碍物在流场十个不同位置分为对应的十个工况，具体如图3.1所示：
图3.1 实验台模型图
障碍物在流场XY平面十个不同位置工况的布置示意图如图3.2所示
图3.2 障碍物布置平面示意图
根据XYZ三个方向确定测点，此布置方法可测出流场三维空间各个点的情况。如：测点1（X=0.3m,Y=0m,Z=0.4m）。实验测试点提取示意图如图3.3所示：
图3.3 实验测点提取图
3.2实验数据对比分析
本文重点研究障碍物在吹吸式通风系统流场中不同位置时，其对吹吸流场的影响及障碍物不同位置工况下所造成的影响区域的大小范围，所以对障碍物不同位置工况进行实验测试，选取具有代表性的工况分析其对流场影响的变化。
1．障碍物处于位置工况位置1时，迎风面X＝1.3m和背风面X＝1.8m的流速对比，具体对比图如下面图3.4a、b所示：
a 迎、背风面在高度Z=0.4m速度对比图 b 迎、背风面在高度Z=0.8m速度对比图
图3.4 障碍物在位置工况1时迎风和背风断面速度对比图
2．障碍物处于位置工况位置9时，迎风面X＝1.3m和背风面X＝1.8m的流速对比如下图3.5a、b所示：
a 迎、背风面在高度Z=0.4m速度对比图 b 迎、背风面在高度Z=0.8m速度对比图
图3.5 障碍物在位置工况9时迎风和背风断面速度对比图
通过以上对比图可以看出，当障碍物在位置工况1时，流场没有影响；当障碍物在位置工况9时，流场迎风面和背风面均出现较大波动，最大值不再出现在中心处，而是在两侧。
3.3发烟实验
本实验利用烟雾发生器发烟模拟污染物，对吹吸式系统的流场进行示踪，障碍物在不同位置时对流场的影响可以非常直观和清楚的看到，从而可以定性的分析障碍物对流场的影响。由于测试工况多、测试量大，现选择部分典型的工况进行对比分析，如图3-6a～f所示：
a 无障碍物时流场控制污染物效果b 障碍物在位置1时流场控制污染物效果
c 障碍物在位置3时流场控制污染物效果 d 障碍物在位置5时流场控制污染物效果
e 障碍物在位置7时流场控制污染物效果 f 障碍物在位置9时流场控制污染物效果
图3-6 障碍物不同位置工况时吹吸式通风系统流场控制污染物效果图
通過以上图可以明显看出，当障碍物在流场两侧离中心区域较远时（如实验中障碍物布置的点1、2、5、6），流场的流形变化很小，吹吸气流的整体流行保持完整，可以很好的控制污染物；当障碍物在流场中心区域时（如实验中障碍物布置的点9、10），吹吸气流的流形遭到较大程度上的破坏，不仅在障碍物后方形成涡流区，且面积较大，从而形成部分气流的回流，甚至逃逸出流场，从而导致捕集效率降低，吹吸式通风系统控制污染物能力下降。
a 障碍物在工况9和10时流场控制效果b 障碍物在工况3和4时流场控制效果
图3-7 多个障碍物在不同位置工况时吹吸式通风系统流场控制污染物效果图
通过上述发烟实验的照片对比分析可以看出来，当吹吸式系统中流场存在多个障碍物时，影响规律和单个障碍物基本相同。如果多个障碍物存在其分布在一个方向时，流场的变化和破坏情况取决于上游障碍物，与下游的障碍物无关。
4 数值模拟的研究分析
4.1 障碍物不同情况下模拟结果对比分析
选取障碍物在流场具有代表性的工况进行对比，通过对不同位置下多个断面的模拟情况分析，得出障碍物对流场影响的具体情况。
1．障碍物在位置工况1、9时，轴心断面的流场对比如图4-1a～b所示：
a 工况1流场轴心Y断面的速度流线图
b 工况9流场轴心Y断面的速度流线图
图4-1 障碍物在不同位置工况时流场轴心位置断面的流线对比图
通过流场轴心处断面的速度分布图可以看出，吹吸气流在位置工况1时流场形态未发生明显的变化，速度分布均匀；位置工况9时吹吸气流受到明显影响，障碍物所在区域的背风面出现涡流区，流速变化剧烈，障碍物区域迎风面的流速为0.6m/s，靠近障碍物时为0.4m/s，而到了背风面突变到0.06m/s，根据流线图可以看出形成了较为强烈的扰动和回流，流形出现一定程度的破坏。
4.2 实验测试与数值模拟对比分析
通过与实验对比，可以进一步验证CFD模拟的准确性，同时为优化模型提供准确条件[7]。因为本模拟和实验台装置是1:1对应的，所以从模拟中提取的速度点按照实际测试的坐标进行提取对比。选择具有代表性的工况和实验测点数据对比，选择的断面如下：
1．工况1时，Y=+1.2m断面的流速对比，如图4-2a～c所示：
aZ=0.4m的速度分布图bZ=0.8m的速度分图
cZ=1.2m的速度分布图
图4-2 障碍物在位置工况1时通过自身断面不同高度的模拟与实验流速对比
通过以上三幅图的对比能看出，工况一时模拟与实测吻合度较好，规律一致。因为在实际测试中有很多不确定因素，所以有的误差比较难以避免。
2．障碍物在吹吸流场位置9时，Y=0m断面的流速对比，如图4-3a～c所示：
aZ=0.4m的速度分布图 bZ=0.8m的速度分布图
cZ=1.2m的速度分布图
图4-3 障碍物在位置工况9时通过自身断面不同高度的模拟与实验流速对比
工况九在流场轴心位置，可以看出模拟和实测吻合度良好。由于本文障碍物为操作人员，因人体结构及站立、坐姿的不同，在高度较低的时候流场速度变化明显，随着高度增加人体占据流场的区域变小，速度波动小，在0.2m/s～0.3m/s范围内。
5结论
本文通过流量比法的精确计算搭建了实验台，结合CFD模拟手段对吹吸流场中存在障碍物的情况做了深入研究，得出了障碍物在流场影响区域的范围[8] [9] ，为工程实际的设计提供了一定的参考价值。具体结论如下：
（1）吹吸式通风系统中回风量一般都比吹风量大几倍以上，所以要进行补风，这样就会对流场造成干扰，应使补风的外窗离流场尽量远，具体值要根据吹吸通风的设计。
（2）本文通过实验和数值模拟的对比验证可知，数值模拟的结果与实验实际测试数据有一定误差，但对吹吸式通风系统的流场规律反应和实验结果是一致的。所以数值模拟是一种行之有效的手段。
（3）本文采用的障碍物为工程实践最为常见的工作人员，根据所处位置不同分为十个工况。通过研究分析发现障碍物在Y≥+1.2m或Y≤-1.2m区域外，吹吸式通风系统的气流宽大，可以将障碍物覆盖，没有出现明显的涡流区，实际应用中其影响很小可忽略。
（4）当障碍物在流场-1.2m≤Y≤+1.2m的区域时，障碍物对流场影响较大，气流不能将障碍物覆盖并在其前后形成较大的涡流区，使部分气流逃逸，但逃逸量很小；障碍物在-0.6m≤Y≤+0.6m区域时，流形遭到破坏，逃逸量变大，使控制效果降低。实际应用中，应避免障碍物出现在此区域。
参考文献
[1] 李安桂，王伟，李现河.障碍物对通风空气房间流场的影响[J].西安建筑科技大学.2008.
[2] 林太郎(日本).工廠通风.北京:中国建筑工业出版社.1986.
[3] 吹吸式通风装置的设计方法-日本劳动省专家会议报告书内容之一[J].暖通空调.1982.
[4] 孙一坚.吹吸式通风装置的设计一Ⅰ、工作原理使用范围和设计要点[J].通风除尘.pp.45～47. 1985 .
[5] 孙一坚.吹吸式通风装置的设计一Ⅱ、设计程序[J].通风除尘. pp.47～52. 1985.
[6] 孙一坚.吹吸式通风装置的设计一Ⅲ、设计程序续篇[J].通风除尘. pp.46～50. 1986.
[7] 陶文铨.数值传热学[M].西安交通大学出版社.2002.
[8] 柯鹏.干扰气流对平行流吹吸式通风流场特性影响的研究[D].西安建筑科技大学硕士学位论文. 2011.
[9] 李志鹏.工业建筑通风方式及风口特性对局部污染物的控制的影响分析[D].西安建筑科技大学硕士学位论文. 2011.
中图分类号：TD724文献标识码： A
1引言
对于障碍物的研究在国内外都比较少，但实际应用中障碍物经常难以避免，其对流场的影响也比较大，会在流场中形成涡流区，严重的可以导致气流回流，甚至是逃逸，使捕集效率下降[1]。本文模拟实际工程中的工作人员作为流场中的障碍物，研究障碍物对吹吸式通风系统流场特性的影响。
2吹吸式通风装置的设计方法
2.1吹吸式通风系统的设计计算
流量比法[2] [3]是先定义吹风气流量Q1，而回风量Q3则是吹风量Q1和周围诱导空气量Q2之和，诱导空气量Q2包括干扰气流和污染气流，三者的关系式为：Q3=Q1+Q2。当定义Q1和Q2的比为流量比，那么Q3就是他们的函数，便可以写成：Q3= Q1（1+ Q2/Q1）。极限流量比用KL表示，那么上式就可以写成Q3= Q1（1+KL），其中KL =( Q2/Q1)lim,极限流量比跟吹、吸风口的尺寸比以及干扰气流的大小有关，所以在实际设计中要考虑一个安全系数m，固公式变为：Q3= Q1（1+mKL）。二维吹、吸气流的流态形式如图2.1所示：
图2.1 吹吸气流的相关尺寸
2.2实验台的介绍
本实验台按照上述方法设计搭建，系统装置如图2.2所示：
a 吹吸装置实验台设计示意图b 吹吸式通风系统实验台全景图
图2.2 吹吸装置实验台设计示意图和全景图
本实验台在极限流量比设计法的基础上，通过调整吹风口，使送风均匀同向的一种吹吸式通风装置[4] [5] [6]，实验台设计于大小为11.28m(长)×7.05m(宽)×3.27m(高)的实验房间中，实验区域为7m(长)×5.45m(宽)×3.27m(高)，占地面积约为38.2㎡的一处宽阔区域。
2.2.1吹吸风口气流均匀性验证
当送风口为普通风口时，经测试其气流的分布均匀性远不能满足要求，而通过改进的多孔型风口，其气流分布的均匀性得到了明显的提高。并且，开孔率对气流分布的均匀性影响较大，以开孔率小者为佳，但对于工业厂房，当存在对固体粉尘颗粒等污染物进行有效控制时，应用较小的开孔则要防止其对风口的堵塞。本实验台所设置送风形式如图2.3 a～b所示：
a 实验台送风口图 b 内部孔板图
图2.3 吹吸装置实验台吹风口图和内部孔板图
3含障碍物的吹吸式通风系统流场测试
3.1障碍物不同位置工况的实验测试
障碍物在工程实际中经常难以避免，其存在于流场中会形成钝体扰流，出现涡流区，严重的可以破坏流场使得污染物逃逸，从而导致吹吸式通风系统控制能力下降。常见的障碍物基本分为三类：工作人员，操作工具和生产样品。其中最为常见是工作人员，固本文模拟操作人员作为流场中的障碍物。
所选择的人体障碍物为男性的工作人员且静坐于吹吸式通风系统流场中，按照障碍物在流场十个不同位置分为对应的十个工况，具体如图3.1所示：
图3.1 实验台模型图
障碍物在流场XY平面十个不同位置工况的布置示意图如图3.2所示
图3.2 障碍物布置平面示意图
根据XYZ三个方向确定测点，此布置方法可测出流场三维空间各个点的情况。如：测点1（X=0.3m,Y=0m,Z=0.4m）。实验测试点提取示意图如图3.3所示：
图3.3 实验测点提取图
3.2实验数据对比分析
本文重点研究障碍物在吹吸式通风系统流场中不同位置时，其对吹吸流场的影响及障碍物不同位置工况下所造成的影响区域的大小范围，所以对障碍物不同位置工况进行实验测试，选取具有代表性的工况分析其对流场影响的变化。
1．障碍物处于位置工况位置1时，迎风面X＝1.3m和背风面X＝1.8m的流速对比，具体对比图如下面图3.4a、b所示：
a 迎、背风面在高度Z=0.4m速度对比图 b 迎、背风面在高度Z=0.8m速度对比图
图3.4 障碍物在位置工况1时迎风和背风断面速度对比图
2．障碍物处于位置工况位置9时，迎风面X＝1.3m和背风面X＝1.8m的流速对比如下图3.5a、b所示：
a 迎、背风面在高度Z=0.4m速度对比图 b 迎、背风面在高度Z=0.8m速度对比图
图3.5 障碍物在位置工况9时迎风和背风断面速度对比图
通过以上对比图可以看出，当障碍物在位置工况1时，流场没有影响；当障碍物在位置工况9时，流场迎风面和背风面均出现较大波动，最大值不再出现在中心处，而是在两侧。
3.3发烟实验
本实验利用烟雾发生器发烟模拟污染物，对吹吸式系统的流场进行示踪，障碍物在不同位置时对流场的影响可以非常直观和清楚的看到，从而可以定性的分析障碍物对流场的影响。由于测试工况多、测试量大，现选择部分典型的工况进行对比分析，如图3-6a～f所示：
a 无障碍物时流场控制污染物效果b 障碍物在位置1时流场控制污染物效果
c 障碍物在位置3时流场控制污染物效果 d 障碍物在位置5时流场控制污染物效果
e 障碍物在位置7时流场控制污染物效果 f 障碍物在位置9时流场控制污染物效果
图3-6 障碍物不同位置工况时吹吸式通风系统流场控制污染物效果图
通過以上图可以明显看出，当障碍物在流场两侧离中心区域较远时（如实验中障碍物布置的点1、2、5、6），流场的流形变化很小，吹吸气流的整体流行保持完整，可以很好的控制污染物；当障碍物在流场中心区域时（如实验中障碍物布置的点9、10），吹吸气流的流形遭到较大程度上的破坏，不仅在障碍物后方形成涡流区，且面积较大，从而形成部分气流的回流，甚至逃逸出流场，从而导致捕集效率降低，吹吸式通风系统控制污染物能力下降。
a 障碍物在工况9和10时流场控制效果b 障碍物在工况3和4时流场控制效果
图3-7 多个障碍物在不同位置工况时吹吸式通风系统流场控制污染物效果图
通过上述发烟实验的照片对比分析可以看出来，当吹吸式系统中流场存在多个障碍物时，影响规律和单个障碍物基本相同。如果多个障碍物存在其分布在一个方向时，流场的变化和破坏情况取决于上游障碍物，与下游的障碍物无关。
4 数值模拟的研究分析
4.1 障碍物不同情况下模拟结果对比分析
选取障碍物在流场具有代表性的工况进行对比，通过对不同位置下多个断面的模拟情况分析，得出障碍物对流场影响的具体情况。
1．障碍物在位置工况1、9时，轴心断面的流场对比如图4-1a～b所示：
a 工况1流场轴心Y断面的速度流线图
b 工况9流场轴心Y断面的速度流线图
图4-1 障碍物在不同位置工况时流场轴心位置断面的流线对比图
通过流场轴心处断面的速度分布图可以看出，吹吸气流在位置工况1时流场形态未发生明显的变化，速度分布均匀；位置工况9时吹吸气流受到明显影响，障碍物所在区域的背风面出现涡流区，流速变化剧烈，障碍物区域迎风面的流速为0.6m/s，靠近障碍物时为0.4m/s，而到了背风面突变到0.06m/s，根据流线图可以看出形成了较为强烈的扰动和回流，流形出现一定程度的破坏。
4.2 实验测试与数值模拟对比分析
通过与实验对比，可以进一步验证CFD模拟的准确性，同时为优化模型提供准确条件[7]。因为本模拟和实验台装置是1:1对应的，所以从模拟中提取的速度点按照实际测试的坐标进行提取对比。选择具有代表性的工况和实验测点数据对比，选择的断面如下：
1．工况1时，Y=+1.2m断面的流速对比，如图4-2a～c所示：
aZ=0.4m的速度分布图bZ=0.8m的速度分图
cZ=1.2m的速度分布图
图4-2 障碍物在位置工况1时通过自身断面不同高度的模拟与实验流速对比
通过以上三幅图的对比能看出，工况一时模拟与实测吻合度较好，规律一致。因为在实际测试中有很多不确定因素，所以有的误差比较难以避免。
2．障碍物在吹吸流场位置9时，Y=0m断面的流速对比，如图4-3a～c所示：
aZ=0.4m的速度分布图 bZ=0.8m的速度分布图
cZ=1.2m的速度分布图
图4-3 障碍物在位置工况9时通过自身断面不同高度的模拟与实验流速对比
工况九在流场轴心位置，可以看出模拟和实测吻合度良好。由于本文障碍物为操作人员，因人体结构及站立、坐姿的不同，在高度较低的时候流场速度变化明显，随着高度增加人体占据流场的区域变小，速度波动小，在0.2m/s～0.3m/s范围内。
5结论
本文通过流量比法的精确计算搭建了实验台，结合CFD模拟手段对吹吸流场中存在障碍物的情况做了深入研究，得出了障碍物在流场影响区域的范围[8] [9] ，为工程实际的设计提供了一定的参考价值。具体结论如下：
（1）吹吸式通风系统中回风量一般都比吹风量大几倍以上，所以要进行补风，这样就会对流场造成干扰，应使补风的外窗离流场尽量远，具体值要根据吹吸通风的设计。
（2）本文通过实验和数值模拟的对比验证可知，数值模拟的结果与实验实际测试数据有一定误差，但对吹吸式通风系统的流场规律反应和实验结果是一致的。所以数值模拟是一种行之有效的手段。
（3）本文采用的障碍物为工程实践最为常见的工作人员，根据所处位置不同分为十个工况。通过研究分析发现障碍物在Y≥+1.2m或Y≤-1.2m区域外，吹吸式通风系统的气流宽大，可以将障碍物覆盖，没有出现明显的涡流区，实际应用中其影响很小可忽略。
（4）当障碍物在流场-1.2m≤Y≤+1.2m的区域时，障碍物对流场影响较大，气流不能将障碍物覆盖并在其前后形成较大的涡流区，使部分气流逃逸，但逃逸量很小；障碍物在-0.6m≤Y≤+0.6m区域时，流形遭到破坏，逃逸量变大，使控制效果降低。实际应用中，应避免障碍物出现在此区域。
参考文献
[1] 李安桂，王伟，李现河.障碍物对通风空气房间流场的影响[J].西安建筑科技大学.2008.
[2] 林太郎(日本).工廠通风.北京:中国建筑工业出版社.1986.
[3] 吹吸式通风装置的设计方法-日本劳动省专家会议报告书内容之一[J].暖通空调.1982.
[4] 孙一坚.吹吸式通风装置的设计一Ⅰ、工作原理使用范围和设计要点[J].通风除尘.pp.45～47. 1985 .
[5] 孙一坚.吹吸式通风装置的设计一Ⅱ、设计程序[J].通风除尘. pp.47～52. 1985.
[6] 孙一坚.吹吸式通风装置的设计一Ⅲ、设计程序续篇[J].通风除尘. pp.46～50. 1986.
[7] 陶文铨.数值传热学[M].西安交通大学出版社.2002.
[8] 柯鹏.干扰气流对平行流吹吸式通风流场特性影响的研究[D].西安建筑科技大学硕士学位论文. 2011.
[9] 李志鹏.工业建筑通风方式及风口特性对局部污染物的控制的影响分析[D].西安建筑科技大学硕士学位论文. 2011.