通过分流板实现垂直单排倾斜缝隙通风系统的气流重新分配与优化

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Airflow redistribution and optimization of a Vertical Single-row Inclined Slit Ventilation system via splitter plates

　　

## 摘要

为了提高竖向单排倾斜条缝通风（VSISV）中气流分布的可控性和供暖热环境性能，在主送风管中安装了分流板，以引导内部流动并重新分配多缝射流。本研究开发了一套模块化可调式VSISV测试风道，并测量了各条缝出风口流量以验证数值预测的准确性。随后，通过数值模拟评估了分流板参数对管道流场、条缝流量分配比例以及室内气流组织的影响。基于数据驱动的筛选方法，将等效总压损失（Δpeq）、飘风率（DR?.?）和头脚温差（Δt?.???.?）确定为核心评价指标，并采用Extra Trees代理模型与NSGA-II算法相结合的框架进行多目标优化。结果表明，上游分流板倾向于引发主导性分流，增大射流速度和室内混合效果，但同时会提高Δpeq和DR?.?；而位于中下部条缝位置的板则主要通过协同调节实现优化，其带来的代价相对较低。优化结果进一步表明，分流板调节涉及阻力代价、飘风风险和分层控制之间的权衡取舍，而非所有指标的同步改善。由于VSISV固有的自上而下的阶梯式分流特性，分流板主要强化了上游和中游的流量重新分配，但其对下部区域送风能力的提升作用仍然有限。

## 引言

在冬季供暖运行过程中，一个普遍存在的矛盾是上部区域热量积聚明显，而下部人员活动区有效热覆盖不足。这一问题直接表现为显著的垂直温度梯度、天花板附近热量滞留以及人员活动区热舒适度的下降。热分层是通风供暖空间中典型的热环境特征[1]，它能够通过削弱人员活动区的有效热增益而显著影响供暖能效[2]。因此，室内通风供暖面临的首要挑战不仅仅在于是否提供了足够的热量，更在于如何在以强烈热浮力为主导的封闭室内空间中，将热量有效输送并稳定地传递到人员活动区。

从形成机制的角度来看，热分层是浮力驱动传输、卷吸增长和天花板边界约束等多种效应综合作用的结果。经典浮力羽流和浮力射流理论为这一过程提供了可量化的机制基础。Morton等人[3]基于卷吸假设建立了积分羽流模型，并提出了自相似尺度律。根据这些尺度律，羽流宽度随高度近似线性增加，即b(z) ∝ z；体积流量和动量通量随高度按幂律增长，即Q(z) ∝ B?^(1/3)z^(5/3)和M(z) ∝ B?^(2/3)z^(4/3)；中心线速度按W_c(z) ∝ B?^(1/3)z^(-1/3)衰减。这些尺度关系表明，浮力通量B?持续卷吸周围空气，随着高度增加传输截面不断扩展，并促进体积流量和动量的累积上升输送。与此同时，中心线速度和局部动量可用性沿流动路径逐步降低。因此，随着房间高度的增加，上部区域热量积聚现象愈发显著，下部人员活动区的有效热覆盖则越来越难以维持。

浮力射流在近场以动量为主导，在远场以热浮力为主导，两个区域之间存在过渡。对于具有初始动量通量M?和浮力通量B?的送风射流，Turner[4]提出了一个被广泛采用的过渡高度尺度，z_t ∝ M?^(3/4)B?^(1/2)。该尺度表明，B?的增加——对应于更强的温差或浮力输入——会减小z_t，使射流更早进入浮力主导区域，并增强其向上偏转的趋势。尽管单纯增加M?可以延长动量主导区域并推迟过渡，但这也会导致更高的能耗和更大的局部飘风风险[[5]、[6]、[7]]。因此，这种方法无法从根本上解决将热量向下输送或维持人员活动区有效热覆盖的难题。

此外，天花板边界和有限房间几何形状倾向于将热量传输稳定为持续的分层结构。Hunt等人[8]的研究表明，当热羽流到达天花板时，会水平扩散并形成上层暖区，随后发展出下降的水平前锋，逐步将上层暖区与下部冷区隔开。该前锋的形成和传播不仅受浮力输入的影响，还受房间尺度几何参数（如H/R）的控制，在某些条件下可达到稳定的界面高度。在具有通风开口的空间中，Linden等人[9、10]的研究表明，分层界面的高度由浮力输入和通风排风共同决定，并且可以保持相对稳定。因此，一旦上层暖区和分层界面建立，人员活动区与上层热量积聚区之间就会形成相对稳定的热分离。此时，单纯增加供暖供应量更可能加剧上部区域的热量积聚，而非改善人员活动区的有效热增益。

上述研究表明，室内通风供暖中的热浮力并非一个可以被削弱或规避的次要效应，而是送风动量、送风温差和房间高度综合作用的固有结果。只要提供加热空气，热浮力就会持续驱动热量向上迁移并促进热分层的发展。因此，提高室内空间的供暖效率，特别是实现人员活动区的有效热增益，关键在于在不可避免的热浮力作用下，增强热量向人员活动区的有效输送。如果仍主要依靠增加送风量或送风速度来提高射流穿透能力，虽然可以在一定程度上推迟过渡并增强近程输送，但这一策略通常伴随着能耗的增加和局部飘风风险的上升，且仍然难以从根本上改变热量上升并滞留在上部区域的总体趋势。因此，室内空间供暖需要在不额外增加能耗的前提下，重新塑造送风路径。

贴壁通风（WAV）可以被视为一种延长气流输送路径的可行方案，其优势源于壁面约束对剪切层和卷吸路径的重新塑造。Glauert[11]建立了经典壁射流的早期理论框架，并表明在自相似区域中，壁射流表现出与自由射流相似的尺度关系，速度按x^(-1/2)衰减，特征宽度随x增加。然而，最大速度出现在距壁面一定距离处，且速度分布呈强烈的不对称性。Launder和Rodi[12]以及Gupta等人[13]进一步指出，壁射流与自由射流的主要区别在于：壁面约束抑制了一侧的卷吸，同时引入了壁面摩擦和近壁剪切应力效应。因此，壁射流的平均速度分布、雷诺应力传输和壁面动量交换表现出边界层与自由剪切流的复合特征。Parker等人[14]和McConnochie等人[15]基于线羽流卷吸特性和壁面羽流实验进一步证明，壁面约束可以抑制近壁羽流的卷吸、减弱横向扩散并改变速度发展，从而有助于保持流动方向性并增强定向输送能力。

Angui Li及其同事对WAV进行了持续深入的研究[[16]、[17]、[18]、[19]]。这些研究揭示了送风射流贴附于竖向壁面、冲击地面后形成水平扩散气流并随后输送到人员活动区的基本流动行为。同时建立了竖向贴附区和水平扩散区的速度衰减关联式，为WAV的设计提供了理论依据。特别是与供暖相关的研究表明，WAV有利于减少天花板附近的热空气滞留并促进热量向人员活动区输送。

对于冬季供暖送风射流，沿壁面的流动发展可以被视为在壁面约束和热浮力共同作用下形成的壁附热浮力射流。此前的研究表明，热浮力可能通过改变近壁压力分布和速度梯度来影响射流贴附性，也可能驱动气流偏离原始贴壁路径，从而破坏贴附输送的稳定性和连续性[20]。Burridge和Hunt[21]的实验表明，当水平强制热浮力射流靠近边界且边界间距足够小时，边界可以诱导出贴附流动模式并使气流沿边界发展。然而，在更下游的位置，射流仍可能在浮力效应下脱离边界，导致流路重构。Yu和Hunt[22]进一步指出，随着热分层的加剧，壁面约束浮力流的脱卷吸分数显著增加，体积流量增长受到限制，羽流稀释减弱，局部理查德森数（Ri）趋于趋近于近似常数值，流动逐渐进入动态准平衡状态。这些发现表明，虽然壁面约束可以延缓横向射流扩散并在一定程度上增强定向输送，但热浮力与热分层的耦合效应仍可能削弱贴附稳定性。因此，壁附热浮力射流不太可能维持长距离的有效覆盖。

为克服室内通风供暖中热分层显著和单级热浮力射流输送能力受限的局限性，研究提出了竖向单排多级倾斜条缝通风方案，即竖向单排倾斜条缝通风（VSISV）[23、24]。该系统为增强室内通风供暖的向下热量输送提供了新的控制策略。在VSISV中，主送风管道中的气流通过沿高度方向排列的多条倾斜条缝逐步分流，产生若干向下沿壁面发展的二级射流。这些二级射流以不同高度依次引入房间，持续为贴壁向下输送过程补充动量和热量。因此，单级射流的有限输送能力被拓展为由竖向分布的多级射流形成的连续输送过程。与传统的单级送风方式[[25]、[26]、[27]、[28]]相比，该系统可以在不同高度处持续为贴壁向下气流补充动量和热量，使送风射流在热浮力作用下仍能保持一定程度的方向性和连续性。因此，可以有效增强暖空气向人员活动区的输送能力。

在VSISV的多级分流框架中，条缝射流之间的初始动量分配是影响室内气流组织、定向热量输送和人员活动区热环境质量的关键因素。上部条缝射流主要贡献于上部空间的卷吸、竖向贴壁输送路径的维持以及整体室内循环的启动。其动量水平直接影响卷吸和驱动上部暖空气向下的能力，同时也改变了对下游条缝射流的诱导和耦合效应。相比之下，下部条缝射流更直接地作用于人员活动区和近地面区域。其出口动量决定了暖空气能否有效到达工作区，并进一步影响地面冲击后的水平扩散范围、近地面回流结构以及局部风速分布。因此，VSISV的性能不仅仅取决于总送风量，更关键的是有限送风量在不同高度条缝之间的分配方式，以及这种分配能否在热分层控制、人员活动区供暖和局部飘风之间实现合理平衡。

关于条缝动量分配的调节，调整条缝孔径以改变不同缝级之间的流量分布是一种有效方法。该方法直观、易于实施，且表现出良好的性能。此前的研究结果[24]表明，通过适当增大下部条缝孔径并限制上部条缝孔径，可以实现整体送风性能的改善。与相同送风条件下的射流冲击通风相比，优化后的VSISV系统能够有效提升室内热舒适度，并显著增强向下空气循环能力。

与此相对，在主送风管中安装分流板等内部构件为分流调节提供了另一种策略。

通过在主管道内部流场和压力分布的调节，分流板可以将气流重新分配至不同缝隙层级的出风口。该策略聚焦于主管道内部的调控，在不改变外部缝隙构型的前提下，提供了调节各层间气流分配的可能性。基于此理念，本研究探讨了在冬季供暖工况下，将分流板作为内部流量调节组件应用于垂直单排倾斜缝隙通风（VSISV）系统的可行性。主要目标在于阐明分流板如何改变主管道内部流动特性、调节不同缝隙层级的气流分配，并影响室内气流组织与热环境性能。为实现该目标，研究结合实验测量与数值模拟，表征分流板引起的气流再分配现象，并进一步建立多目标优化框架，以探讨阻力惩罚、冷风感风险与热分层控制三者之间的权衡关系。研究结果揭示了分流板的流量调节机理，为VSISV系统中多级气流分配的可控设计提供了参考依据。

物理模型与设计参数

模型尺寸与文献[24]中所报道的一致。房间尺寸为7 m × 6 m × 3.6 m，如图1(a)所示。两面外墙呈对称布置，并考虑了围护结构的热传递。其余边界作为内墙处理。送风系统布置在其中一面内墙上，排风口位于与送风口相对的天花板上。室内包含两名就座人员，每人简化为……湍流模型选择基于从四个随机选取的分流板工况（即工况4、工况10、工况22和工况34）的实验测量结果，对不同湍流模型数值预测的各缝隙出口质量流量进行了比较。该比较旨在验证数值模型预测VSISV系统内部气流分配特性的能力，并为后续模拟选择合适的湍流模型。局限性及未来工作尽管在研究的设计空间范围内，分流板改善了气流的再分配和室内气流组织，但其对下层区域送风的影响应谨慎解读。由于VSISV固有的自上而下逐级分流机制，引入分流板后，上游缝隙仍保持主导的气流分配趋势。下游缝隙主要起到被动响应的作用，其流量在很大程度上受上游动量支配。结论本研究通过在垂直单排倾斜缝隙通风（VSISV）系统中引入分流板，探讨了冬季供暖工况下该系统的空气分配调节及其对应的供暖热环境响应。研究开发了一套模块化可调节的VSISV测试管道，并测量了各缝隙出口的流量以验证数值预测。研究了分流板参数对管道流场、缝隙分流比以及室内气流组织的影响。CRediT作者贡献声明陈王：撰写初稿、撰写审阅与修改、方法论、调查研究、资金获取、概念构思。徐艳：撰写初稿、调查研究、形式化分析、数据管理。段向阳：形式化分析、数据管理。王涛：形式化分析、数据管理。刘银：项目监督、项目管理、概念构思。郑慧凡：项目监督、项目管理、资金获取。数据可用性数据可根据要求提供。CRediT作者贡献声明陈王：撰写审阅与修改、撰写初稿、方法论、调查研究、资金获取、概念构思。徐艳：撰写初稿、调查研究、形式化分析、数据管理。段向阳：形式化分析、数据管理。王涛：形式化分析、数据管理。刘银：项目监督、项目管理、概念构思。郑慧凡：项目监督、项目管理、资金获取。陈王|徐艳|段向阳|王涛|刘银|郑慧凡中原工学院智慧能源与环境学院，郑州，451191，中国