低压条件下富氧加湿水平射流的轨迹、速度衰减与标量稀释

《Building and Environment》：Trajectory, Velocity Decay, and Scalar Dilution of Oxygen-Enriched Humidified Horizontal Jets under Low-Pressure Conditions

　　

低气压加速了水平射流中动量衰减和标量稀释。
氧富集促进了射流轨迹的重气向下偏转。
在50 kPa下，标量稀释比速度衰减发生得更为迅速。
Re和Ri的新型复合标度关系可准确预测射流衰减行为。
研究结果优化了高原建筑居住环境中局部供氧加湿。
引言
高原环境与低海拔平原相比，空气密度显著降低，氧分压也随之下降[1,2]。在海拔2500 m以上，这种低氧环境会损害居住者的生理功能，并引发严重的海拔相关疾病，构成重大健康风险[[3], [4], [5], [6]]。此外，高原地区的室内环境在冬季通常极度干燥。现场测量表明，采暖季室内平均相对湿度低于15%，在最干燥的测量条件下可降至3%~5%——例如持续供暖但不加湿、室外绝对湿度低、室内湿源有限等[7,8]。如此低的湿度水平可能引发鼻出血、眼部黏膜干燥和角质层脱水[9,10]，导致居住者明显不适[[11], [12], [13]]。因此，低气压、缺氧和极度干燥大幅降低了居住者的生活质量和工作效率[14,15]，凸显了改善高原地区室内氧和湿度条件的必要性。
为缓解这些健康和舒适度问题，已有研究表明室内供氧可有效缓解缺氧相关反应[16]，而加湿可减少干燥应激并改善干燥感知和黏膜状况[17]。目前，高原室内环境常用的两种方式分别为鼻导管供氧和弥散供氧。虽然传统鼻导管系统供氧效率高，但其与固定终端的物理连接限制了居住者的活动自由度，降低了用户舒适度，并可能造成鼻黏膜损伤[18]。相比之下，弥散供氧的有效性受建筑气密性的强烈影响。由于点源供氧的方向性较差，呼吸区的氧浓度上升缓慢，而供应的氧气扩散范围过广，从而降低了氧气利用效率[19]。在高原地区室内加湿方面，通常使用独立的小型加湿器；然而，这些设备同样难以快速提升整体室内湿度，且方向控制有限。
近年来，个性化供氧在改善高原建筑室内环境方面的潜力日益受到关注。与全空间氧富集不同，个性化供氧将富氧空气直接送至居住者的呼吸区，从而在提高局部氧可用性的同时降低整体用氧需求。代表性策略包括点源供氧[20]、壁装式供氧[[21], [22], [23]]以及其他面向呼吸区的供氧方式[24,25]。这些研究表明，针对性供氧可有效提高呼吸区氧浓度，改善呼吸区微环境，并降低全空间氧富集需求，从而减少总耗氧量[26,27]。
近期，氧和湿的耦合输送引起了越来越多的关注。Li等[28]提出了一种针对缺氧干燥高原环境的供氧加湿一体化方法，展示了其在局部环境控制方面的潜力。Song等[29]在64.5 kPa环境压力下，研究了水平和垂直方向输送的加湿富氧射流在出口氧浓度和供气相对湿度变化下的表现，阐明了氧富集与加湿的拮抗浮力效应，并考察了这些效应如何改变射流位置、下游速度衰减、氧浓度衰减以及由此产生的氧-湿分布和呼吸区性能。这些研究共同证实了局部供氧加湿的可行性，并对低压条件下的输送行为提供了定量认识。然而，环境压力、出口动量、喷嘴尺度和混合物密度差的综合效应在更广泛的工况范围内能否得到一致的表征，目前仍不清楚。
对于加湿供氧输送而言，关键问题在于富氧加湿射流在向目标区域行进过程中能否维持其动量和标量输送有效性。具体而言，轴线速度的衰减以及氧气和水蒸气的稀释直接决定了有效输送距离和可实现的局部微环境水平。如图1所示，气压降低改变了空气密度及其他热物性参数，从而影响射流流动并产生不同于常压下的衰减特征[30]。此外，富氧加湿射流本质上是一种涉及氧气、水蒸气和环境空气的变密度流动。射流与环境空气之间的密度差会产生浮力效应，进一步加剧射流与环境之间的相互作用和混合过程。因此，需要建立统一的无量纲框架，将环境压力、出口动量、喷嘴尺度和混合物密度差的影响与射流轨迹、轴线速度衰减和标量稀释联系起来。据此，本研究聚焦于定量表征低压条件下富氧加湿射流中的这些耦合输送过程。
为应对上述问题，本研究在50~101.325 kPa的环境压力范围内，研究水平圆形射流的定向加湿富氧空气输送特性。基于标准大气模型，该压力范围大致对应海平面至5500~5600 m的海拔高度，涵盖了典型和更为严酷的高原建筑环境。首先考察环境压力、出口氧浓度、出口速度和喷嘴直径对射流轨迹偏转、轴线速度衰减和标量稀释的单独影响。随后进行L9(3?)正交试验分析，评估各因素的表观主效应并识别与不同射流响应相关的主导因素。筛选结果指导后续量纲分析中所纳入物理量的选取。然后将控制变量表达为表征惯性、浮力和粘性效应相对作用的无量纲数群。利用雷诺数（Re）和理查逊数（Ri）等无量纲参数，建立水平变密度圆形射流轨迹、轴线速度衰减和标量衰减的关联式。这些关联式计入了压力引起的热物性变化和密度差引起的浮力效应，并反映了低压条件下轴线速度和标量量度的不同衰减特征。所得工程预测方法为喷嘴设计、运行参数选择以及根据环境和供气条件与源-目标距离进行局部加湿供氧的控制调节提供了依据。
章节片段
富氧加湿空气的热物性
为表征低压条件下富氧加湿射流的源特性，将射流气体视为由O?、H?O和N?组成的理想气体混合物。混合物的平均摩尔质量计算为[31]
Mmix = Σxi Mi
其中，xi和Mi分别表示组分i的摩尔分数和摩尔质量（kg/mol）。
水蒸气的摩尔分数由下式确定：
xH2O = psat(T) × RH / pamb
其中RH为相对湿度，psat(T)为饱和蒸气压（Pa），
实验装置
实验在中国西安绿色建筑国家重点实验室进行。使用了一台可控压力、温度和相对湿度的高原环境模拟舱。模拟舱内部尺寸为3.0 m × 3.0 m × 2.5 m。
富氧加湿空气供应系统包括外部制氧机、混合室、变频风机、湿膜加湿器、水箱、水温控制单元和连接
密度比对射流特性的影响
A组旨在研究出口密度比对富氧加湿射流输送特性的影响。出口氧体积分数xO2,0分别设为30%、40%和50%，对应的密度比ρ0/ρamb分别为0.998、1.012和1.026。其余参数保持不变：出口速度v0 = 1.0 m/s，喷嘴直径D = 0.05 m，环境压力pamb = 50 kPa，出口相对湿度RH0 = 99%。图7对比了所得
结论
本研究利用经舱体实验验证的CFD仿真方法，研究了低压条件下富氧加湿水平射流的输送特性，分析了环境压力、出口氧浓度、出口速度和喷嘴直径对射流轨迹偏转、速度衰减和标量稀释的影响。基于数值结果，建立了包含雷诺数和理查逊数效应的无量纲预测关联式。
CRediT作者贡献声明
Yuting Yan：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，调查研究，形式分析，数据管理，概念构思。Yingying Wang：监督，项目管理，经费获取。Yanfeng Liu：监督，资源。Dengjia Wang：监督，资源。Jiale Hu：验证，调查研究。
Yuting Yan | Yingying Wang | Yanfeng Liu | Dengjia Wang | Jiale Hu