基于譜分析的自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)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(fēng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)通常要求在人工作區(qū)平均風(fēng)速低于0.2m/s,即使這樣,也常會使人有冷吹風(fēng)感,招致人們的抱怨。而人體所樂于承受的自然風(fēng)的風(fēng)速通常遠(yuǎn)高于空調(diào)送風(fēng),覺得自然風(fēng)比機(jī)械風(fēng)更加舒適。自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)究竟有何區(qū)別,又是何種因素導(dǎo)致了自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)對人體感覺影響的不同,這是人們普遍關(guān)注卻又未能深入探索的問題。人體對吹風(fēng)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(dǎo)到大腦皮層的信號有關(guān)。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(yīng)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(fēng)和機(jī)械風(fēng)樣本進(jìn)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(fēng)和機(jī)械風(fēng)的譜特征有著明顯的區(qū)別和有趣的聯(lián)系。1建筑領(lǐng)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(yīng)的頻率和波動能量的大小,能比較全面、準(zhǔn)確地說明流場特性。對脈動風(fēng)速v′進(jìn)行譜分析,其功率譜密度函數(shù)滿足以下關(guān)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(fēng)和接近機(jī)械風(fēng)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(fēng)和典型機(jī)械風(fēng)雙對數(shù)功率譜曲線的負(fù)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(guān)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(fù)斜率β(或稱為功率譜指數(shù)),并將其作為主要研究指標(biāo)。風(fēng)速的測量采用北京大學(xué)大氣物理實驗室制作的熱線風(fēng)速儀。熱線的直徑為20μm,經(jīng)過標(biāo)定后風(fēng)速測量誤差在5%以內(nèi)。實驗中的采樣頻率設(shè)置為10Hz;實驗采樣滿足Shannon采樣定理,并且能確保研究所關(guān)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(fēng)的譜特征,在多個地方進(jìn)行了自然風(fēng)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(yuǎn)離建筑的草坪空曠地帶、海邊以及自然通風(fēng)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(fù)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(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(xué)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(fēng)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(fēng)的能量中小渦能量的比例變大,從而導(dǎo)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(fēng)的β值與平均風(fēng)速有一定的關(guān)聯(lián),這種關(guān)系可以從海邊自然風(fēng)的分析結(jié)果中看得更加明顯。圖3顯示了海邊自然風(fēng)β值隨平均風(fēng)速變化關(guān)系,從圖中可知β值隨著平均風(fēng)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(fēng)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(fēng)速對自然風(fēng)的譜特征均有一定影響。3交流風(fēng)機(jī)自由射流結(jié)果對比首先考慮兩種形式風(fēng)機(jī)的自由射流工況。實驗在一個封閉的大空間中進(jìn)行。氣流驅(qū)動源分別采用離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)。如圖4所示,在風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)自由射流各測點處平均風(fēng)速和β值的變化。從圖中可以看出,離心風(fēng)機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)在距風(fēng)機(jī)第2個測點之后,平均風(fēng)速基本一致,并隨著射流距離的增加而衰減;離心風(fēng)機(jī)各個測點的β值均比軸流風(fēng)機(jī)對應(yīng)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(fēng)數(shù)值接近。圖7是變頻器變頻下(30、40、50Hz)兩種風(fēng)機(jī)自由射流各個測點氣流β值與平均風(fēng)速關(guān)系的一個統(tǒng)計圖。圖中更加明顯說明了機(jī)械風(fēng)在平均速度衰減到一定程度(大約為0.25m/s)之后,β值可達(dá)到典型自然風(fēng)的數(shù)值。在采用風(fēng)機(jī)盤管的空調(diào)系統(tǒng)中,機(jī)械風(fēng)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(fēng)速與β值的關(guān)系?？梢钥闯?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(fēng)速小于0.25m/s,β值均大于1。4有明顯有感悟的風(fēng)速域內(nèi),各有特點有差異上述實驗數(shù)據(jù)表明,自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)在譜特征上有著有趣的區(qū)別和聯(lián)系。在出風(fēng)口處,機(jī)械風(fēng)的β值明顯比自然風(fēng)數(shù)值小,隨著氣流的擴(kuò)散、平均速度的衰減,β值逐漸提高,并接近于自然風(fēng)的數(shù)值。雖然自然風(fēng)的功率譜特征也受平均風(fēng)速的影響,但是β值均大于1.1;而對于機(jī)械風(fēng)β值要達(dá)到典型自然風(fēng)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(fēng)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(rèn)為在人體明顯有感覺的風(fēng)速域內(nèi),自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)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(jī)械風(fēng)在送風(fēng)出口處,氣流受到室內(nèi)周圍空氣的影響較小,而受到機(jī)械送風(fēng)裝置自身高頻噪聲影響較大,氣流具有典型的機(jī)械風(fēng)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(qiáng),譜特征逐漸接近于典型自然風(fēng)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(fēng)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(jī)械風(fēng)在射流初始階段,大渦尺度接近于送風(fēng)口尺寸,而隨著氣流的不斷擴(kuò)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(dǎo)致氣流紊動特征向自然風(fēng)特征遷移。譜特征的不同,是機(jī)械風(fēng)和自然風(fēng)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(jī)械風(fēng)氣流功率譜特征接近于自然風(fēng),但由于平均風(fēng)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(shè)計規(guī)范中嚴(yán)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(fēng)速過高的機(jī)械風(fēng)氣流脈動特征給人體帶來的不適感。因此,如果能夠改進(jìn)機(jī)械風(fēng)的送風(fēng)方式,使工作區(qū)的氣流在平均風(fēng)速較高條件下也能達(dá)到自然風(fēng)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(jī)械風(fēng)和自然風(fēng)中的值分布本文對在多種建筑環(huán)境中的自然風(fēng)和多種類型機(jī)械風(fēng)氣流的譜特征進(jìn)行了分析,可得出以下結(jié)論。1)在人體有感的風(fēng)速域中,自然風(fēng)與機(jī)械風(fēng)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(fēng)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(jī)械風(fēng)在送風(fēng)口處的β值在人敏感的頻域