基于譜分析的自然風與機械風對人體流場的影響

基于譜分析的自然風與機械風對人體流場的影響

為了創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境，使用空調(diào)越來越頻繁。而空調(diào)送風的設計標準通常要求在人工作區(qū)平均風速低于0.2m/s,即使這樣,也常會使人有冷吹風感,招致人們的抱怨。而人體所樂于承受的自然風的風速通常遠高于空調(diào)送風,覺得自然風比機械風更加舒適。自然風與機械風究竟有何區(qū)別,又是何種因素導致了自然風與機械風對人體感覺影響的不同,這是人們普遍關注卻又未能深入探索的問題。人體對吹風的接受程度除了傳熱的因素以外,還與氣流對皮膚表面的刺激以及傳導到大腦皮層的信號有關。這就要求必須考慮氣流自身的動態(tài)結(jié)構(gòu)。譜分析是研究氣流動態(tài)結(jié)構(gòu)特性最重要的方法之一,并已應用到建筑環(huán)境氣流的分析之中。本文采用了譜分析的方法對自然風和機械風樣本進行了分析。研究結(jié)果表明在人所敏感的頻率區(qū)域,自然風和機械風的譜特征有著明顯的區(qū)別和有趣的聯(lián)系。1建筑領域中雙對數(shù)功率譜密度函數(shù)的擬合湍流是由不同尺度的渦旋疊加而成的。譜分析方法中的功率譜密度函數(shù)可以給出湍流中不同渦旋所對應的頻率和波動能量的大小,能比較全面、準確地說明流場特性。對脈動風速v′進行譜分析,其功率譜密度函數(shù)滿足以下關系式:∫∞0E(f)df=v′2ˉˉˉˉ.∫0∞E(f)df=v′2ˉ.其中:E(f)為功率譜密度函數(shù),f為頻率。圖1是建筑室外空曠地帶距離地面1.6m處自然風和接近機械風口氣流的雙對數(shù)功率譜密度曲線。從圖中可以直觀看出,典型自然風和典型機械風雙對數(shù)功率譜曲線的負斜率值(β值)有較大的區(qū)別。本文研究氣流譜特征的目的是為了研究氣流與人體的關系。如同人體只對一定頻率范圍的聲波較為敏感一樣,人體也只對一定紊動頻率范圍內(nèi)的氣流敏感。有研究表明,人體敏感的紊動氣流主要集中在低頻區(qū)域。本文將0.01～1.00Hz的頻域區(qū)間作為研究的重點,通過最小二乘法擬合得到這個區(qū)間的雙對數(shù)功率譜曲線的負斜率β(或稱為功率譜指數(shù)),并將其作為主要研究指標。風速的測量采用北京大學大氣物理實驗室制作的熱線風速儀。熱線的直徑為20μm,經(jīng)過標定后風速測量誤差在5%以內(nèi)。實驗中的采樣頻率設置為10Hz;實驗采樣滿足Shannon采樣定理,并且能確保研究所關心的頻域區(qū)間信息的完整采集。2不同工況、不同邊界條件下的值分布為了考察在不同環(huán)境下自然風的譜特征,在多個地方進行了自然風數(shù)據(jù)的采樣實驗。具體地點包括:建筑屋頂平臺、建筑周邊、遠離建筑的草坪空曠地帶、海邊以及自然通風建筑室內(nèi)。對于室外工況,測點均布置在距離地面或屋面1.6m高的位置。每個工況重復多次測量,測量時環(huán)境溫度在15～30℃。圖2為草坪、樓頂、周邊以及建筑室內(nèi)4種工況β值的分布情況。表1中給出了β值平均值和湍流度Tu(脈動風速的標準差與流速均值之比)平均值。從表1中可知,由于草坪中央和樓頂平臺均處于較為空曠地方,自然風氣流受周圍建筑影響較少,因此二者功率譜指數(shù)和湍流度較為接近,并且β值接近于前蘇聯(lián)科學家Kolmogorov提出的局部各向同性湍流慣性區(qū)的能譜功率譜指數(shù)5/3。由于建筑周邊和室內(nèi)自然風氣流受到建筑影響較大,建筑邊界條件的影響加速了氣流渦旋結(jié)構(gòu)的大渦向小渦的轉(zhuǎn)變,因此,自然風的能量中小渦能量的比例變大,從而導致β值有所減小。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn),各種工況的自然風的β值與平均風速有一定的關聯(lián),這種關系可以從海邊自然風的分析結(jié)果中看得更加明顯。圖3顯示了海邊自然風β值隨平均風速變化關系,從圖中可知β值隨著平均風速的增加而減小,但均大于1.1。上述結(jié)果表明,建筑環(huán)境中各個工況下的自然風譜特征具有相似特征,但在不同環(huán)境下β值有所不同,建筑環(huán)境以及平均風速對自然風的譜特征均有一定影響。3交流風機自由射流結(jié)果對比首先考慮兩種形式風機的自由射流工況。實驗在一個封閉的大空間中進行。氣流驅(qū)動源分別采用離心風機和軸流風機。如圖4所示,在風機射流的軸線上連續(xù)布置8個測點,測點與扇片的中心位置等高(距地面1.6m)。測點與扇片之間以及測點與測點之間的間距均為1m。風機轉(zhuǎn)速由變頻器控制。圖5、6給出了變頻器在30Hz工作條件下的兩種風機自由射流各測點處平均風速和β值的變化。從圖中可以看出,離心風機與軸流風機在距風機第2個測點之后,平均風速基本一致,并隨著射流距離的增加而衰減;離心風機各個測點的β值均比軸流風機對應測點的數(shù)值小,但均隨著射流距離的增加而增大,并在第6個測點之后,數(shù)值均大于1,與自然風數(shù)值接近。圖7是變頻器變頻下(30、40、50Hz)兩種風機自由射流各個測點氣流β值與平均風速關系的一個統(tǒng)計圖。圖中更加明顯說明了機械風在平均速度衰減到一定程度(大約為0.25m/s)之后,β值可達到典型自然風的數(shù)值。在采用風機盤管的空調(diào)系統(tǒng)中,機械風在射流區(qū)和工作區(qū)的譜特征也有類似的結(jié)論。圖8給出了其中各個測點的平均風速與β值的關系。可以看出,在射流區(qū)(測點1),氣流平均速度較大,β值在0.3左右;在工作區(qū)(測點2、3、4、5),平均風速小于0.25m/s,β值均大于1。4有明顯有感悟的風速域內(nèi),各有特點有差異上述實驗數(shù)據(jù)表明,自然風與機械風在譜特征上有著有趣的區(qū)別和聯(lián)系。在出風口處,機械風的β值明顯比自然風數(shù)值小,隨著氣流的擴散、平均速度的衰減,β值逐漸提高,并接近于自然風的數(shù)值。雖然自然風的功率譜特征也受平均風速的影響,但是β值均大于1.1;而對于機械風β值要達到典型自然風數(shù)值(1.5左右),平均速度必須衰減到0.25m/s以下,此時平均風速已經(jīng)在人體表面自然對流流速范圍內(nèi),對人的感覺基本沒有影響。因此,可以認為在人體明顯有感覺的風速域內(nèi),自然風與機械風的功率譜指數(shù)β值有著明顯的差別,分界點是1.0～1.1。機械風在送風出口處,氣流受到室內(nèi)周圍空氣的影響較小,而受到機械送風裝置自身高頻噪聲影響較大,氣流具有典型的機械風特征,高頻能量相對較高,β值小于1。隨著射流距離的增大,氣流不斷與周圍空氣發(fā)生作用,氣流三維渦旋運動明顯加強,譜特征逐漸接近于典型自然風的特征。此外,尺度上的變化也是一個重要的影響因素,湍流的大渦尺度主要由邊界條件所決定。各種工況的自然風的能量均集中在低頻大渦區(qū),具有較大的渦旋運動尺度。機械風在射流初始階段,大渦尺度接近于送風口尺寸,而隨著氣流的不斷擴散,射流邊界條件逐步發(fā)展到整個房間,大渦運動尺度明顯增加,導致氣流紊動特征向自然風特征遷移。譜特征的不同,是機械風和自然風給人不同舒適度的重要原因之一。在空調(diào)房間中,雖然工作區(qū)(即空調(diào)被控區(qū))的機械風氣流功率譜特征接近于自然風,但由于平均風速過低,在人體表面自然對流流速范圍內(nèi),對人沒有影響。而設計規(guī)范中嚴格規(guī)定空調(diào)工作區(qū)的氣流流速,目的也是為了避免風速過高的機械風氣流脈動特征給人體帶來的不適感。因此,如果能夠改進機械風的送風方式,使工作區(qū)的氣流在平均風速較高條件下也能達到自然風的譜特征,那么對改善空調(diào)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、減少空調(diào)能耗將具有重要的意義。5機械風和自然風中的值分布本文對在多種建筑環(huán)境中的自然風和多種類型機械風氣流的譜特征進行了分析,可得出以下結(jié)論。1)在人體有感的風速域中,自然風與機械風的功率譜指數(shù)β值有著顯著的差別,β值的分界點是1.0～1.1。2)自然風的β值在人敏感的頻域范圍內(nèi)數(shù)值一般處于1.1～2.0之間,在不同環(huán)境下有所區(qū)別。機械風在送風口處的β值在人敏感的頻域