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1、通风空调百叶风口阻力特性与几何结构的关系西安建筑科技大学 李丹 李安桂摘要 由于百叶风口结构简单、安装方便等特点在通风空调工程中得到了广泛使用。但是，工 程实践中发现：百叶倾斜角度，百叶宽度、厚度，百叶垂直间距甚至百叶本身的结构等对通风 效果、压力损失、阻力系数甚至噪声效果有重要的影响。本文基于理论分析，以数值研究方法 对单侧百叶风口的阻力系数与几何结构的关系进行了探讨。数值模拟采用 FLUENT 6.0 软件， 计算结果用 Excel 进行后处理。研究分析了百叶倾斜角度，百叶挡板宽度，百叶挡板垂直间距 及百叶挡板厚度对风口阻力系数的影响。关键词 百叶风口 数值模拟 局部阻力系数Numeric
2、al Simulation of Shutter sResistance CharacterUsed in Air-conditioning and VentilationBy Li Dan Li AnguiAbstract Based on the theoretical analyses, describe local resistance coefficient of the outlets through numerical simulation. Use the software of FLUENT 6.0 for numerical simulation and use Excel
3、 for processing the results. Analyze the different results of resistance coefficient brought by changing the obliquity of the boards, the width of the boards (b),the ration of width and upright distance between two boards (b/h) and the thickness (d) of boards.Keywordsshutter, numerical simulation, l
4、ocal resistance coefficient1 引言侧送风方式具有布置简单，施工方便，能满足房间对射流扩散、速度衰减的要求，因而被 广泛用于空调房间送风。在侧送风方式中，百叶风口由于结构简单而被普遍应用，尤其是在自 然通风中，百叶风口更为常见。百叶风口的应用已有悠久的历史，但由于其结构的可变化范围 很大，实际上，工程经验表明人们至今对其和气流组织的关系尚未有清楚的认识。鉴于此，本 研究对单侧百叶风口的性能进行数值模拟，以便更深入地了解这一传统的风口动力特性，从而 在建筑空调的使用中更好地发挥其性能优势。2百叶风口的数值模拟模型的建立衡量风口性能优劣主要依据是在风压转换系数K值相同的条
5、件下，局部阻力系数小者为优，大者为劣1，在百叶风口中，决定局部阻力系数的因素主要有百叶挡板倾斜角度、百叶挡板宽度b、百叶挡板宽度与百叶挡板垂直间距的比值b/h及百叶挡板厚度di，因此，本研究从这几方面入手，进行数值模拟。关于风口模型的建立，采用了以下几点假定 4 5 6 7 ：1）风口内空气流动为不可压缩气体紊流流动；2）由于本研究只关心百叶间的空气流动状况，且百叶风口在宽度方向（ X 方向）对称，因此 将其简化为只具有厚度（ Z 方向）和高度（ Y 方向）的两维模型（即认为 X 方向无穷大） 相当于用一个矩形截面来截此型体，从而大大减少了计算量，百叶风口的模型见图1；图 1 百叶模型3）工程
6、中使用标准的k-方程已有足够的精度，本 文以稳态标准k-方程来描述百叶风口内的空气流动；4）由于百叶风口相比其他建筑空间较小，如果直接以百叶风口的进出口侧为进出口边界，可 能由于气流的未充分发展而使计算产生较大的误差，故本文通过对多个模型的模拟计算，找出了两个假定的边界，距百叶的进口侧1000 mm,距出口侧1500 mm,在这两条边界处阻力系数的计算已基本不受所设边界距离的影响；5）数值计算选用控制容积法对控制方程的微分形式进行离散，并采用压力校正的 SIMPLEC 算法；对动量方程， 紊流脉动动能方程 （K 方程）及紊流动能耗散率方程 （ 方程）采用 QUICK算法，对墙壁及百叶挡板均采用
7、标准壁面函数法及无滑移壁面条件；6）百叶挡板的倾斜角度变化范围为 060 ,百叶挡板宽度b的变化范围为10 m100 mm、 百叶挡板宽度与百叶挡板垂直间距的比值b/h的变化范围为0.43.0，百叶挡板厚度d的变化范围为 0.6 m2.1 m；3 数值模拟结果及分析1）阻力系数修正值a的确定本文模拟了当百叶入口侧风速从 0.5m/s 变化到 10m/s 过程中的流动情况， 计算了每种情况下流体流经风口时的风速v，根据公式计，求得平均值作为a的确定值，其中，流过风口时的v由v -1 nn 一 1匚1 v计算，Vj是第i个和第i+1个挡板间流体的速度，n为百叶风口的挡板i数量。阻力系数数值计算的其
8、他条件为：挡板 b/h=1.0，板长b=50 mm,板厚d=1.5 mm,空气密度 取1.2 kg/m3，挡板倾斜角度为30。（假定挡板水平放置时为0）。系为2）准确工程=0.813经过计算得出，工程上所应用的阻力系数值实际上比阻力系数的准确计算值大，二者的关百叶风口用于自然通风时，室外风速的变化对阻力系数的影响1933 年，尼古拉兹对于六种不同人工粗糙度的圆管子的流动状况进行了大量的实验研究，结果将流动分成五个区域，即层流区域、紊流发生区、紊流光滑区、紊流过渡区和阻力平方区（自模区）8，得出当流动进入阻力平方区时，沿程阻力系数 入仅与相对粗糙度K/d有关而与Re 数无关。对于气流流过百叶这种
9、板间流动， 上述理论内容依然成立， 本研究将通过数值模拟 确定流体进入阻力平方区时的风速。计算所得的阻力系数计算表如下所示：0.511.522.533.544.555.566.577.58& 599.510外界风速(m/s)11 11 11 11 11 值确准数系力阻0.95图 2 外界风速变化对阻力系数的影响曲线由图 2可以得出，百叶风口应用于自然通风时，当室外风速达到 7m/s 时，空气的紊流流动 达到阻力平方区，此时阻力系数不再随外界风速的变化而改变。3) 挡板倾斜角度的变化对阻力系数的影响(a )挡板倾斜角度为30 (b )挡板倾斜角度为60 c) A 处放大图S.u5-2*iju?.
10、63t+0i：i5.38t+006.78.2+Oli4.78c+006.36c+005.94c*0019c+005.514+005.09c*003.59.1+UU2.99t+004.24t+0i：i3.82.1+Oli2.39t+003.40.2+002.9?i+Uiii.Suc+uO2.55t+UU2.13.1+Olil.SU.i+UD1.70.2+006.i：n：i.i-u 1S.SSt-u 11.70.-034.34c-01图 3 不同挡板倾斜角度下的速度场 通过图3、图4可看出：1) 挡板倾斜角度越小则阻力损失越小。阻挡来流的叶片后面，必然有涡存在，涡区 是低压和低速区，叶片倾斜角度大
11、，其后面 的涡区域就较大，它的存在必然使叶片后形 成负压区，叶片前后形成压差，带来百叶风 口的阻力损失。并且挡板角度越小，气流遇 到的挡板阻挡越小，气流撞击挡板所形成的 撞击损失越小。虽然 0倾角的挡板的阻力 系数最小，但其水平放置的挡板不具任何导 流作用，其作用与一空洞相似，故工程中一 般不予采用；3.4-3-zL0-值确准数系力阻o30百叶挡板倾斜角度o66图 4 阻力系数随百叶挡板倾斜角度的变化曲阻力系数数值计算的其他条件为：挡板 b/h=1.0，板长b=50 mm,板厚d=1.5 mm,空气密度 取1.2 kg/m3,设定来流速度速为3m/s。2) 随挡板倾斜角度的增大，挡板后涡区增大
12、，并且，当挡板倾斜角度增大到 60时，挡板后形成了两个涡区，见图 3 (c),原因是当气流受到挡板阻挡，在流过挡板间隙时，速度增大， 如果挡板的倾斜角度过大，流体就不能很好的沿挡板倾斜方向流动，而与挡板脱离，使得挡板 的导流效果减弱，两股高速气流互相干扰 .于是，在挡板下又形成了一个涡流区，增加了涡流损 失(因形成涡流而消耗的能量) 。3) 挡板 b/h 的变化b与h如图5所示。作者依次模拟了 b/h值从0.43.0的变化。图 5 百叶的 b 和 h图 6 阻力系数随百叶挡板 b/h 值的变化曲 线模拟条件为：来流速度为3 m/s，挡板倾斜角度为30 ,且板长b=50 mm,板厚d=1.5 m
13、m, 空气密度取1.2 kg/m3；具体情况如图6和图7所示：通过模拟可以得出：1) 随b/h值的增加，压力损失大体上逐渐增加。因为在板长b 一定的情况下，b/h越大，板间距 h 越小，由于它减小了气流弯曲半径，气流经过百叶挡板间隙绕过百叶挡板过程中由 于离心力的作用使气流弯曲所造成的阻力损失增大。同时通过图 7 可看到在 b/h=1.2 时， 阻力系数出现了一个极小值，这和挡板下方形成的涡流区有关。因为挡板 b/h 值越小，涡 流区越明显，当挡板 b/h=0.4 时，挡板下方出现了两个涡流区，同样也是受到挡板上方和 下方两股高速气流的影响，涡流的形成影响出口速度并增加了涡流损失，当 b/h=
14、1.2 时， 涡流区开始明显减弱，此时压力损失小，当 b/h=2.2 时，百叶风口下部挡板的涡流区开始 消失(图 7)；2) 鉴于压力损失、出口速度及所形成的涡流区大小的综合考虑，作者推荐使用0.8 Wb/h W 2.0的百叶风口，鉴于在 b/h=1.2 时阻力系数最小，建议广泛使用。5.06+004.81.;*|：|：|4.56t+OO4.3i：i1；+i：ii：i：3.；:；i：i.i+i：ii：i3.55c+OO：3.：3i：i1；+i：ii：i2.79c+002.54.i+i：i02.29c+002.i：i4.;*i：ii：i1.79c*001.53+OO7.78c-015.27-i-
15、Ol2.75-i-Ol5.91C+OO5.6Oc+OO5.29i+UU4.98.2+1：11：14.67t+i：n：i4.35.2+UU4.u4t+i：iU3.73.i+i：n：i3.4t+i：ii：i3.11t+i：n：i2.80c+00249c+OO1.87t+i：n：i1.56t+UU9.込D16.22.-U 1S.llt-Ul6.45t+ij06.11t+ijU5.77+005.43c+005.10t+i：i04.76.1+LiO4.42t+i：i04.U：:；-i+UU3.74.i+i：ii：i3.4ij.i+iju3.06c*00.7.i+i：i02.3Sc*002.u4.i+0u1.70+00i.証1.02c*006.804-013.41t-Ul：=：=：R.-._ri.
