排风口叶片形状对排风效率的影响研究

陆 萍,吴大卫,沈晓丽,方 恺,何雨华,金 佳

(同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092)

排风口叶片形状对排风效率的影响研究

陆 萍,吴大卫,沈晓丽,方 恺,何雨华,金 佳

(同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092)

为提高通风系统整体运行效率，采用CAD制图技术设计了几种不同形状的排风口，制作出实物模型并应用这几种不同形状的排风口以及现有实验设备进行了多次实验，利用风速仪采集模拟空间内的风速数据，研究了排风设备排风口的形状对排风效率的影响. 通过对实验结果的对比和分析，得出了排风口形状和排风效率的关系，并指出了提高通风系统整理效率的研究方向.

风洞实验;排风系统;CAD;实时测量；叶片形状

同济大学汽车风洞实验室及建筑风洞实验室承担着科研与教学的双重任务，一般只有科研或者高年级相关专业学生才能有机会接触. 在物理实验中，通常会利用“空气动力仪”完成空气阻力的测量实验及验证伯努利方程等实验项目.

近年来，随着建筑行业的迅速发展，城市内建筑的复杂程度也随之提高，在密度较高的现代建筑中，对于排风设备的要求也越高. 在生活生产中不可避免地需要身处于室内风环境中，必须有效地将室内与室外的空气环境连接起来. 如果排风系统不能起有效作用，那么人们的生活环境、身体健康都会受到损害. 工业生产中，如果没有排风系统，那么工作效率也会受到影响，甚至会出现安全隐患，比较典型的生产环境有矿井、车间、厨房等，由于排风系统的缺乏或者不完善造成的事故实在是数不胜数，这种易产生浮尘颗粒的环境很容易达到爆炸极限，遇到明火惨剧瞬间就会发生. 因此室内排风的问题也逐渐受到人们的重视.

排风是改善空气条件的一种方法，它包括从室内排出污浊空气和向室内补充新鲜空气2个方面. 前者称为排风，后者称为送风，为实现排风送风所采用的一系列设备、装置的总体称为排风系统. 此外，排风设备在其他科学领域也都有十分广泛的应用，比如实验室、医院、冶炼厂等. 排风设备的效率高低直接影响到人们的生产效率和生活质量.

1 实验基础及构思

1.1 风洞实验

本实验应用直流式低速风洞. 风洞之所以被广泛应用于解决空气动力学的问题，是因为它有很多优点：首先，实验可以在室内条件下进行，可以避免大气环境变化的影响. 其次，与其他实验相比，风洞实验的经济成本也低了许多，而且随着实验效率的不断提高，成本还可以下降. 除此之外，测试仪器和实验模型的安装、操作和使用都十分方便. 最重要的一点是，实验中风速、温度、压力、密度等都可以独立变化，提高了实验的可行性，缩小了实验数据的误差. 实验条件也易于控制，保证了实验过程中的安全性.

1.2 排风系统实验构思

“建筑能耗在社会总能耗所占的比率已经达到30%左右，是能源消耗的主要形式之一，用于暖通空调的能耗又约占85%，而空调运行能耗的35%～45%为风机水泵能耗. 国产通风机的效率一般在85%以上，但在实际工程运行中，通风系统整体效率普遍低下，平均只有30%～40%，最高也只有60%，仍有相当大的提升空间. 所以，提高通风系统整体效率具有重要的节能减排意义”[1].

可以导致通风系统效率降低的因素不仅数量繁多而且关系复杂，很明显不是单独某一方面因素所造成的，主要因素包括漏风和流经废弃工作面、采空区而损失的风. 为了有效提高排风设备的效率，实验选择从改善排风口形状的角度，尝试改良出高效低能耗的优化排风系统. 本次实验应用并改进了风洞设备，模拟了室内排风系统，并设计了已知通风效率较高的3种不同形状的排风口，应用它们进行了多次测量实验，通过监测和记录每次实验下的风速，再经过数据的整理及分析计算得到了排风口最佳的形状.

2 实验仪器

本实验仪器除风洞机外均用CAD软件画出模型后制作所得，主要包括以下几部分：

1) 1 m×1 m×1 m的空心立方体. 两侧均有3×3个直径为2 cm的圆孔(供测风计测量用). 空心立方体模拟室内房间环境.

2) 风速测量仪，德国德图高精度热敏式风速仪test0405-V1.

3) 直流式低速风洞，口径大，可连续运转，实验段速度范围为0～100 m/s.

4) 3种不同形状的排风口：a.田字格叶片(风洞机自带);b.水平型叶片;c.发散型叶片.

实验装置如图1所示.

图1 实验装置图

3 实验原理

3.1 通风原理

通风分为全面通风和局部通风2种. 全面通风是针对对整个房间进行通风换气，把整个房间里面的有害物质浓度稀释到卫生标准的允许浓度以下. 局部通风是指为了使局部空间不受污浊空气污染，利用局部气流循环交换，以形成良好的的空气环境.

3.2 直流式低速风洞

风洞是用来产生人造气流(人造风)的管道. 在风洞中，风扇向右端鼓风而使空气从左端外界进入风洞的稳定段. 稳定段的蜂窝器和阻尼网使气流得到梳理与均匀，然后由收缩段使气流得到加速而在实验段中形成流动方向一致、速度均匀的稳定气流.

3.3 叶片角度选择

出风口尺寸如图2所示，计算许可角度θ. 假设侧视图(图2)中两叶片左端距离为

则最小角度θ满足

θ=arctan 1.073 8=47°,

因此叶片倾斜角度β>α>47°.

实际实验时使得α=55°,β=70°，并且将倾斜的叶片稍作平移，以取得更好的出风效果(图3).

图2 侧视图 图3 叶片倾斜角度

4 实验步骤

1)将空心立方体与风洞机进行连接，开启风洞机，选择合适的风速，以使风速仪有较明显的读数且不会使得空心立方体内压力过大，产生危险. 插入风力测速仪确保连接紧密无风逃逸.

2)安装好第一种形状(田字格叶片)的排风口，开启风洞机进行实验，待风机运转一定时间后，模拟环境内风速环境较为稳定，此时用风力测速仪在空心立方体的两侧各9个孔洞的边缘与中心位置测量18组风速数据.

3)关闭风洞机，但不要改变风速旋钮的位置.

4)分别更换其余2种形状(水平型叶片、发散型叶片)的排风口，重复步骤2)和3).

5)控制无关变量进行多次实验，以减小误差.

6)关闭风洞，结束实验.

7)整理并分析实验数据，得出结论.

5 实验数据记录及处理

1) 风机风速为1.06 m/s.

2) 空心立方体内各个记录点风速数据如表1所示，其中加黑数据为出风口风速. 数据记录点如图4所示，A组9个数据点在中心平面上，B组9个数据点在靠左边壁平面上. C组9个数据点平面与B组数据对称靠右边壁，对应点风速相同，因此只记录一组靠壁平面数据点风速.

图4 数据点位置图

叶片类型v/(m·s-1)靠壁中心0．0650．1500．0150．1600．0650．045田字格0．0700．1000．0250．8200．8700．7950．0750．0950．0250．0850．1400．1050．1050．1750．1250．1450．2200．160水平型0．1000．1250．0851．0500．4100．4900．1000．0700．0500．1200．1100．1650．0800．0950．0550．1050．1250．135发散型0．1100．0950．0750．6200．4850．5150．0700．0800．0700．0750．1100．105

实验测量结果如表2所示，其中加黑数据为出风口风能传递效率.

表2 3种形状叶片的风能传递效率

根据表2中数据作风能传递效率图如图5所示，其中横纵坐标表示数据点位置，圆形面积代表风能传递效率的大小.

(a)靠壁平面风能传递效率

(b)中心平面风能传递效率图5 风能传递效率图

1) 实验过程中发现出风口位置风速仪示数波动最小,靠壁处风速波动比较大，记录数据时通过多次实验略微缩小了波动范围.

2) 田字格叶片在水平叶片的基础上加了竖直叶片，交叉成田字型，风速波动变小，出风更加平稳，但效率更低.

3) 发散型叶片在更短时间内使风传递到房间各个角落，较水平型叶片风速波动较为平缓，然而效率也更为低下.

4) 出风口风速：水平>田字>发散(可分析叶片形状对出风量损失情况，损失大小:水平<田字<发散).

5) 在出风口平面上田字格叶片风速变化最小，出风最均匀(但是整个空间一起分析的话是发散型叶片出风最均匀：各点数据相差较小).

6) 在不考虑能耗情况下，发散式叶片可根据房间实际情况调整角度(如实验中，55°和70°为最佳角度)达到最佳送风效果，可使如火车站、机场等大型共送场所得到最佳的用户体验.

7) 在不考虑出风稳定性的情况下，水平型叶片效率最高，能耗最小，可应用如医院、商场等大型场所.

6 结束语

本实验借助风洞模拟了排风系统，经多次测量统计后得出了3种排风口对排风效率的影响程度. 风洞的巧妙利用是实验成功的首要因素，实验中的低速直流式风洞产生的风量均匀而且平稳

可控制. 风洞设备的安全易操纵，简化了实验步骤，缩短了实验时间. 根据已有资料来看，目前排风系统的效率最高也仅有60%，平均效率甚至更低，只在30%～40%之间，所以仍然有较大的提升空间，由于通过仅改变排风口形状就可以有效提高效率增加收益，因此这一改良也拥有广泛的商业前景. 在工程中，改变排风口的形状对成本几乎没有影响，合适的排风口可以提高系统效率，降低能耗，节能减排，促进一系列的效益. 优化改良排风系统意义重大. 在商业上提高经济收益，而基于生活，则保证了人们的安全和健康，可谓是一举两得.

[1] 刘海，康宁. 某工程通风系统整体效率实验研究[J]. 四川建材，2013，39(5)：237-239.

[2] 陈妙芳. 建筑设备[M]. 上海：同济大学出版社,2009:201-202.

[3] 夏卿，钱仰德. 空气阻力系数测试仪[J]. 物理实验,2016,36(8):16-20.

[4] 冯禹,习爽,何雨华,等. 利用保罗机械阱探究囚禁粒子的动力学特性[J]. 物理实验,2016,36(2):1-6.

[责任编辑：郭 伟]

Effects of air outlet shapes on ventilating efficiency

LU Ping, WU Da-wei, SHEN Xiao-li, FANG Kai, HE Yu-hua, JIN Jia

(School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To improve the efficiency of ventilating system, the effects of different air outlet shapes were investigated. By modifying and applying wind tunnels, the indoor winding environment was simulated. Applying CAD cartographic technique to design several shapes of air outlets, several air outlets were designed for multiple experiments, wind speed were collected using anemograph. Based on the results of the measurement, the relationship between air outlet shapes and ventilating efficiency was concluded. The result of this experiment indicated the direction of our future research on improving the efficiency of whole ventilating system.

wind tunnel test; ventilating system; CAD; real time measurement; blade shape

2016-05-26

陆 萍(1984-)，女，上海人，同济大学物理科学与工程学院教师，从事物理实验教学与管理工作.

O355

A

1005-4642(2017)06-0019-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文