工程科学学报，第41卷，第8期：1061-1073,2019年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.8:1061-1073,August 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.012;http://journals.ustb.edu.cn 缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 王浩宇)区，刘应书2)，张传钊，陈福祥)，马晓钧，李春旺) 1)北京联合大学生物化学工程学院，北京1000232)北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jdthaoyu@buu.cdu.cm 摘要利用实验及CFD模拟软件分别研究非空调工况下以及空调工况的送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式、 不同的气流组织形式（同侧上送下回、异侧上送下回）等发生变化对密闭建筑缺氧房间的富氧特性及富氧效果的影响.结果 表明：非空调工况下，送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式不同，所形成的富氧区域差别较大，宜采用管径为6mm的 相背45°的双送氧口进行送氧，所形成的富氧面积为最大：空调工况下，送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及气流组织形式不 同，所形成的富氧区域形状大体相似，均为“椭圆”形状，宜采用送氧口管径为6m的单送氧口且异侧上送下回的气流组织形 式：空调工况下，送氧流量相同时，送风风速为0.85m·s所形成的富氧面积比送风风速为1m·s所形成的富氧面积大约 20%:当送风风速均为0.85ms1,送氧流量为1.5m3h1所形成的富氧面积约为0.96m2,该富氧面积与单人次活动范围面 积相当，适宜作为空调工况下缺氧房间单人次的富氧基础供氧量.模拟结果可为缺氧空调房间供氧装置的选择、布置、降低新 风量、降低空调能耗等方面提供参考. 关键词空调房间；缺氧；富氧；气流组织 分类号TG142.71 Simulation of oxygen enrichment characteristics and effect in hypoxia air-conditioning room WANG Hao-yu,LIU Ying-shu2),ZHANG Chuan-zhao),CHEN Fu-xiang,MA Xiao-jun!),LI Chun-wang) 1)College of Biochemical Engineering,Beijing Union University,Beijing 100023,China 2)School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China XCorresponding author,E-mail:jdthaoyu@buu.edu.cn ABSTRACT Experiments and computational fluid dynamics(CFD)simulation were used to analyze the effects of the number and the diameter of oxygen supply ports,the flow rate and the mode of oxygen supply,and different modes of air flow (up-inlet and down-outlet on the same side,or on the different side)on the indoor oxygen enrichment characteristics and the effect of anoxic conditions in a closed buildings with or without air conditioning.Without air conditioning,the number and the diameter of oxygen supply ports,the flow rate and mode of oxygen supply,and formed oxygen-enriched regions are quite different.Using a double-45-opposite oxygen sup- ply ports with a diameter of 6 mm is advisable.Under the air conditioning condition,the number and the diameter of oxygen supply ports,the flow rate of oxygen supply,and the modes of air flow are different too.The formed oxygen-enriched area are all generally el- liptical.It is advisable to use a single oxygen supply port with a diameter of 6mm and an air flow mode of up-inlet and down-outlet on the different side.When the flow rate of the oxygen supply is the same,the oxygen-enriched area are formed by the wind speed of 0.85 msis approximately 20%larger than that formed by the 1 mswind speed.When the air supply wind speed is 0.85 msand the oxygen supply flow rate is 1.5mh,the oxygen-enriched area is approximately 0.96m2,which is consistent with the area of the 收稿日期：2018-10-23 基金项目：北京市自然科学基金资助项目(8182019)：国家自然科学基金资助项目(51578065)：北京市教育委员会科技计划一般资助项目 (KM201711417014)
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期:1061鄄鄄1073,2019 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 8: 1061鄄鄄1073, August 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 08. 012; http: / / journals. ustb. edu. cn 缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 王浩宇1) 苣 , 刘应书2) , 张传钊1) , 陈福祥1) , 马晓钧1) , 李春旺1) 1) 北京联合大学生物化学工程学院, 北京 100023 2) 北京科技大学能源与环境工程学院, 北京 100083 苣通信作者,E鄄mail: jdthaoyu@ buu. edu. cn 摘 要 利用实验及 CFD 模拟软件分别研究非空调工况下以及空调工况的送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式、 不同的气流组织形式(同侧上送下回、异侧上送下回)等发生变化对密闭建筑缺氧房间的富氧特性及富氧效果的影响. 结果 表明:非空调工况下,送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方式不同,所形成的富氧区域差别较大,宜采用管径为6 mm 的 相背 45毅的双送氧口进行送氧,所形成的富氧面积为最大;空调工况下,送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及气流组织形式不 同,所形成的富氧区域形状大体相似,均为“椭圆冶形状,宜采用送氧口管径为 6 mm 的单送氧口且异侧上送下回的气流组织形 式;空调工况下,送氧流量相同时,送风风速为 0郾 85 m·s - 1 所形成的富氧面积比送风风速为 1 m·s - 1 所形成的富氧面积大约 20% ;当送风风速均为 0郾 85 m·s - 1 ,送氧流量为 1郾 5 m 3·h - 1所形成的富氧面积约为 0郾 96 m 2 ,该富氧面积与单人次活动范围面 积相当,适宜作为空调工况下缺氧房间单人次的富氧基础供氧量. 模拟结果可为缺氧空调房间供氧装置的选择、布置、降低新 风量、降低空调能耗等方面提供参考. 关键词 空调房间; 缺氧; 富氧; 气流组织 分类号 TG142郾 71 收稿日期: 2018鄄鄄10鄄鄄23 基金项目: 北京市自然科学基金资助项目(8182019);国家自然科学基金资助项目(51578065);北京市教育委员会科技计划一般资助项目 (KM201711417014) Simulation of oxygen enrichment characteristics and effect in hypoxia air鄄conditioning room WANG Hao鄄yu 1) 苣 , LIU Ying鄄shu 2) , ZHANG Chuan鄄zhao 1) , CHEN Fu鄄xiang 1) , MA Xiao鄄jun 1) , LI Chun鄄wang 1) 1) College of Biochemical Engineering, Beijing Union University, Beijing 100023, China 2) School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: jdthaoyu@ buu. edu. cn ABSTRACT Experiments and computational fluid dynamics (CFD) simulation were used to analyze the effects of the number and the diameter of oxygen supply ports, the flow rate and the mode of oxygen supply, and different modes of air flow (up鄄inlet and down鄄outlet on the same side, or on the different side) on the indoor oxygen enrichment characteristics and the effect of anoxic conditions in a closed buildings with or without air conditioning. Without air conditioning, the number and the diameter of oxygen supply ports, the flow rate and mode of oxygen supply, and formed oxygen鄄enriched regions are quite different. Using a double鄄鄄45毅鄄opposite oxygen sup鄄 ply ports with a diameter of 6 mm is advisable. Under the air conditioning condition, the number and the diameter of oxygen supply ports, the flow rate of oxygen supply, and the modes of air flow are different too. The formed oxygen鄄enriched area are all generally el鄄 liptical. It is advisable to use a single oxygen supply port with a diameter of 6 mm and an air flow mode of up鄄inlet and down鄄outlet on the different side. When the flow rate of the oxygen supply is the same, the oxygen鄄enriched area are formed by the wind speed of 0郾 85 m·s - 1 is approximately 20% larger than that formed by the 1 m·s - 1 wind speed. When the air supply wind speed is 0郾 85 m·s - 1 and the oxygen supply flow rate is 1郾 5 m 3·h - 1 , the oxygen鄄enriched area is approximately 0郾 96 m 2 , which is consistent with the area of the
·1062· 工程科学学报，第41卷，第8期 single-person activity.It is suitable as the basic oxygen-enriched supply for the single-person under air conditioning conditions where are lack of oxygen. KEY WORDS air-conditioning room;anoxic conditions;oxygen-enrichment;air distribution 近年来针对狭窄密闭空间（如高海拔地区隧 力计算方法，有效解决经典计算公式中压力求解问 道、飞船、潜水艇、矿井等)缺氧环境下的补氧方法 题.第二种方法是理论分析射流截面速度的高斯分 及气流组织流动特性的研究较多-]，技术也相对 布-].第三种方法是CFD数值模拟.随着计算 成熟：但对常规密闭空调房间（如写字楼、办公室、 机技术的不断发展，CD方法已被越来越多的研究 商场、超市)的缺氧问题研究较少，仅见刘应书等[) 者所采用.曲延鹏等[]基于Fluent采用不同湍流 对相对密闭的大空间局部圆形单出氧口弥散供氧流 模型研究圆形射流流动特性，认为标准k-ε模型能 动特性及其富氧效果进行了实验研究，提出弥散供 得到较合理结果：柯道友等[20]基于C℉D模拟研究 氧.实际上由于场所密闭、环境污染等因素造成的 氢气泄漏过程，结果准确预测氢气泄漏的扩散和运 常规密闭空调房间的缺氧问题长期存在且容易被人 动规律，适用于应急处理：汪健生等2]基于数值模 们忽视，该问题也一直影响着人们身心健康和工作 拟研究冲击射流的换热特性.因此，本文基于实验 效率[-).人们长期在“微缺氧”的密闭环境下生 及CFD数值模拟分别研究非空调工况下以及空调 活和工作，容易产生头痛、胸闷、疲劳、烦躁、失眠、皮 工况的送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方 肤过敏等诸多身体问题[] 式、不同的气流组织形式（同侧上送下回、异侧上送 为了有效改善密闭空调房间内部的缺氧问题， 下回)等发生变化对密闭建筑空间室内的富氧特性 满足人们的生理需求并提高工作效率，可向密闭空 及富氧效果的影响，以期为密闭空调房间缺氧环境 调房间进行局部送氧，该种方式不但可以较好解决 下供氧装置的选择和布置、密闭空调房间富氧安全 空调房间的缺氧问题，而且可以有效减少新风量，达 标准的制定、改善空调房间新风量和降低空调能耗 到改善室内空气品质及降低能耗的双重效果.北京 等提供参考 科技大学刘应书教授也指出，利用专用制氧设备产 1数学模型及计算方法 生氧气来增加密闭建筑空间环境中的氧含量，有望 为改善室内空气品质提供一条新途径[] 1.1物理模型 较高浓度的氧气自送氧口向密闭建筑房间喷射 本文以某大学人工气候室为研究对象建立三维 所形成的流动为气体射流.对射流问题，研究的方 数学模型，其建筑尺寸为长6.8m、宽4m、高2.9m, 法通常有以下三种：第一种方法是通过实验数据获 共放置4把桌椅，具体的物理模型，如图1所示，其 得实用的经验关系式.刘振翼等1)进行了C0,管线 中x轴为长度方向，y轴为宽度方向，z轴为高度方 泄漏小尺度的实验研究，通过幂函数拟合得到监测 向.分别对房间内非空调工况下的纯弥散供氧及空 点峰值浓度曲线，并确定了生产现场的安全距离：金 调工况下室内富氧进行研究，即非空调工况下的纯 梧凤等对可燃制冷剂R32室内空调器泄漏的扩 弥散供氧时（无空调，空调送、回风口关闭，送氧口 散特性进行了实验研究.付建民等[6通过搭建液 供氧)，研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及 相管道小孔泄漏实验系统，提出了小孔泄漏稳定压 送氧方式等不同时的室内气体流动特性及富氧效 空调送风口 空调送风口 空调回风口 送氧口 送氧口 空调回风口 (b) 图1某人工气候室的物理模型（空调工况，单送氧孔）.(a)异侧上送下回：(b)同侧上送下回 Fig.I Physical model of the artificial climate chamber(air conditioning,single oxygen feeding port):(a)up-inlet and down-outlet on the opposite side;(b)up-inlet and down-outlet on the same side
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 single鄄person activity. It is suitable as the basic oxygen鄄enriched supply for the single鄄person under air conditioning conditions where are lack of oxygen. KEY WORDS air鄄conditioning room; anoxic conditions; oxygen鄄enrichment; air distribution 近年来针对狭窄密闭空间(如高海拔地区隧 道、飞船、潜水艇、矿井等) 缺氧环境下的补氧方法 及气流组织流动特性的研究较多[1鄄鄄8] ,技术也相对 成熟;但对常规密闭空调房间(如写字楼、办公室、 商场、超市)的缺氧问题研究较少,仅见刘应书等[9] 对相对密闭的大空间局部圆形单出氧口弥散供氧流 动特性及其富氧效果进行了实验研究,提出弥散供 氧. 实际上由于场所密闭、环境污染等因素造成的 常规密闭空调房间的缺氧问题长期存在且容易被人 们忽视,该问题也一直影响着人们身心健康和工作 效率[10鄄鄄11] . 人们长期在“微缺氧冶的密闭环境下生 活和工作,容易产生头痛、胸闷、疲劳、烦躁、失眠、皮 肤过敏等诸多身体问题[12] . 为了有效改善密闭空调房间内部的缺氧问题, 满足人们的生理需求并提高工作效率,可向密闭空 调房间进行局部送氧,该种方式不但可以较好解决 空调房间的缺氧问题,而且可以有效减少新风量,达 到改善室内空气品质及降低能耗的双重效果. 北京 科技大学刘应书教授也指出,利用专用制氧设备产 生氧气来增加密闭建筑空间环境中的氧含量,有望 为改善室内空气品质提供一条新途径[13] . 图 1 某人工气候室的物理模型(空调工况,单送氧孔)郾 (a) 异侧上送下回; (b) 同侧上送下回 Fig. 1 Physical model of the artificial climate chamber(air conditioning, single oxygen feeding port): (a) up鄄inlet and down鄄outlet on the opposite side; (b) up鄄inlet and down鄄outlet on the same side 较高浓度的氧气自送氧口向密闭建筑房间喷射 所形成的流动为气体射流. 对射流问题,研究的方 法通常有以下三种:第一种方法是通过实验数据获 得实用的经验关系式. 刘振翼等[14]进行了 CO2管线 泄漏小尺度的实验研究,通过幂函数拟合得到监测 点峰值浓度曲线,并确定了生产现场的安全距离;金 梧凤等[15] 对可燃制冷剂 R32 室内空调器泄漏的扩 散特性进行了实验研究. 付建民等[16] 通过搭建液 相管道小孔泄漏实验系统,提出了小孔泄漏稳定压 力计算方法,有效解决经典计算公式中压力求解问 题. 第二种方法是理论分析射流截面速度的高斯分 布[17鄄鄄18] . 第三种方法是 CFD 数值模拟. 随着计算 机技术的不断发展,CFD 方法已被越来越多的研究 者所采用. 曲延鹏等[19] 基于 Fluent 采用不同湍流 模型研究圆形射流流动特性,认为标准 k鄄鄄 着 模型能 得到较合理结果;柯道友等[20] 基于 CFD 模拟研究 氢气泄漏过程,结果准确预测氢气泄漏的扩散和运 动规律,适用于应急处理;汪健生等[21] 基于数值模 拟研究冲击射流的换热特性. 因此,本文基于实验 及 CFD 数值模拟分别研究非空调工况下以及空调 工况的送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及送氧方 式、不同的气流组织形式(同侧上送下回、异侧上送 下回)等发生变化对密闭建筑空间室内的富氧特性 及富氧效果的影响,以期为密闭空调房间缺氧环境 下供氧装置的选择和布置、密闭空调房间富氧安全 标准的制定、改善空调房间新风量和降低空调能耗 等提供参考. 1 数学模型及计算方法 1郾 1 物理模型 本文以某大学人工气候室为研究对象建立三维 数学模型,其建筑尺寸为长 6郾 8 m、宽 4 m、高 2郾 9 m, 共放置 4 把桌椅,具体的物理模型,如图 1 所示,其 中 x 轴为长度方向,y 轴为宽度方向,z 轴为高度方 向. 分别对房间内非空调工况下的纯弥散供氧及空 调工况下室内富氧进行研究,即非空调工况下的纯 弥散供氧时(无空调,空调送、回风口关闭,送氧口 供氧),研究送氧口个数、送氧口管径、送氧流量及 送氧方式等不同时的室内气体流动特性及富氧效 ·1062·
王浩宇等：缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 ·1063· 果：空调工况下的室内富氧时（有空调，空调送、回 室内气体流动特性及富氧效果.人工气候室的主要 风口打开，送氧口供氧)，研究空调送风速度及气流 结构参数，如表1所示.非空调工况与空调工况下 组织形式（同侧上送下回、异侧上送下回）不同时的 的物理模型大体相同，如图1所示 表1人工气候室的主要结构参数 Table 1 Structure parameters of the artificial climate chamber 结构参数 数值/m 结构参数 数值/m 送风口直径 0.15 回风口直径 0.15 送风口中心位置距地面 2.65 回风口中心位置距地面 0.25 两送风口中心间距 0.49 两回风口中心间距 0.49 送氧口直径（小管径） 0.006 送氧口直径（大管径） 0.01 桌面（长、宽、高） 0.50.720.05 椅背（长、宽、高） 0.15、0.42、1.1 桌腿（长、宽，高） 0.03,0.03.0.5 椅面（长、宽、高） 0.57.0.420.3 非空调工况下的纯弥散供氧，单送氧口送氧时， 前、相对45°、相背45°三种送氧方式，两送氧口间距 送氧口位于侧墙壁面左侧空调送风口的中心位置， 及具体位置，如图2所示.空调工况下的混合式送 非空调工况下送氧口具体位置与空调工况下送氧口 风送氧，双送氧口位于两个空调送风口的中心位置 位置相同，如图1所示：双送氧口送氧时，送氧口位 且采用竖直向前的送氧方式.具体送氧口形式，如 于两个空调送风口的中心位置，且分别采用竖直向 表2所示 n 图2非空调工况下双送氧口位置示意图.(a)竖直向前：(b)相对45°：(c)相背45° Fig.2 Schematic diagram of double oxygen-feeding ports in non-air-conditioning conditions:(a)vertical forward-facing port;(b)45-opposing port;(c)45-back-to-back port 1.2控制方程 为了简化模型，做以下假设：(1)送氧口以射 +pax: at 流形式送出富氧气体，氧气体积分数为99%，且主 (4) 要为O,和N,的二元理想气体混合物：(2)送氧口 直径较小且以射流形式送出后在密闭房间内的扩 散效果有限，可使用自由射流理论对此流动作相 CagP.-pCa (5) 应描述：(3)认为流体是稳定不可压缩流体，湍流 模型采用k-ε双方程模型[22】，控制方程可表达 式中：p为流体密度；t为时间；u,和4为流场速度，代 如下： 表u、v、w三个坐标方向的速度分量，其中i和j分别 取12、3，i和j可同时取相同值；x:和x为x、y、z的 (1)连续方程. 三个坐标分量；P为时均压力；为动力黏度；4，为 dui0 axi (1) 端流黏度，山，=pC,。;S,是动量守恒方程的广义源 (2)动量方程 项；cA为组分A摩尔浓度；DAB为组分A在组分B中 a(pu:),a(pu,4） ax; 的扩散系数：D,为湍流扩散系数：P=,( (u+ u+)能+川-+s (2) 业)业：方程中涉及的经验常数取值分别为C,= (3)组分守恒方程 0.09,04=1.0,0.=1.3,C4=1.44,C2=1.922 e+5=(De+D,)月 1.3初始条件和边界条件 at (8c (3) ax; 0 ox: 空调送风口及送氧口的入口条件均为人口风速 (4)湍动能k与动能耗散率ε的k-ε方程 (V。),即假定入口风速均匀分布，Vm=Q·M1,Q为送
王浩宇等: 缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 果;空调工况下的室内富氧时(有空调,空调送、回 风口打开,送氧口供氧),研究空调送风速度及气流 组织形式(同侧上送下回、异侧上送下回)不同时的 室内气体流动特性及富氧效果. 人工气候室的主要 结构参数,如表 1 所示. 非空调工况与空调工况下 的物理模型大体相同,如图 1 所示. 表 1 人工气候室的主要结构参数 Table 1 Structure parameters of the artificial climate chamber 结构参数 数值/ m 结构参数 数值/ m 送风口直径 0郾 15 回风口直径 0郾 15 送风口中心位置距地面 两送风口中心间距 送氧口直径(小管径) 桌面(长、宽、高) 桌腿(长、宽、高) 2郾 65 0郾 49 0郾 006 0郾 5、0郾 72、0郾 05 0郾 03、0郾 03、0郾 5 回风口中心位置距地面 两回风口中心间距 送氧口直径(大管径) 椅背(长、宽、高) 椅面(长、宽、高) 0郾 25 0郾 49 0郾 01 0郾 15、0郾 42、1郾 1 0郾 57、0郾 42、0郾 3 非空调工况下的纯弥散供氧,单送氧口送氧时, 送氧口位于侧墙壁面左侧空调送风口的中心位置, 非空调工况下送氧口具体位置与空调工况下送氧口 位置相同,如图 1 所示;双送氧口送氧时,送氧口位 于两个空调送风口的中心位置,且分别采用竖直向 前、相对 45毅、相背 45毅三种送氧方式,两送氧口间距 及具体位置,如图 2 所示. 空调工况下的混合式送 风送氧,双送氧口位于两个空调送风口的中心位置 且采用竖直向前的送氧方式. 具体送氧口形式,如 表 2 所示. 图 2 非空调工况下双送氧口位置示意图 郾 (a) 竖直向前; (b) 相对 45毅; (c) 相背 45毅 Fig. 2 Schematic diagram of double oxygen鄄feeding ports in non鄄air鄄conditioning conditions: ( a) vertical forward鄄facing port; ( b) 45毅鄄opposing port; (c) 45毅鄄back鄄to鄄back port 1郾 2 控制方程 为了简化模型,做以下假设:(1) 送氧口以射 流形式送出富氧气体,氧气体积分数为 99% ,且主 要为 O2和 N2的二元理想气体混合物;(2) 送氧口 直径较小且以射流形式送出后在密闭房间内的扩 散效果有限,可使用自由射流理论对此流动作相 应描述;(3) 认为流体是稳定不可压缩流体,湍流 模型采用 k 着 双方程模型[22] ,控制方程可表达 如下: (1)连续方程. 鄣ui 鄣xi = 0 (1) (2)动量方程. 鄣(籽ui) 鄣t + 鄣(籽uiuj) 鄣xj = 鄣 鄣x [ j (滋 + 滋t) ( 鄣ui 鄣xj + 鄣ui 鄣x ) ] i - 鄣p 鄣xi + Si (2) (3)组分守恒方程. 鄣cA 鄣t + 鄣(uj cA) 鄣xj = 1 籽 (DAB + DT ) 鄣 鄣x ( j 鄣cA 鄣x ) j (3) (4)湍动能 k 与动能耗散率 着 的 k鄄鄄着 方程. 籽 鄣k 鄣t + 籽 鄣(kui) 鄣xi = 鄣 鄣x [ ( j 滋t 滓k + 滋 ) 鄣k 鄣x ] j + Pk - 籽着 (4) 籽 鄣着 鄣t + 籽 鄣(着ui) 鄣xi = 鄣 鄣x [ ( j 滋t 滓着 + 滋 ) 鄣着 鄣x ] j + C着1 着 k Pk - 籽C着2 着 2 k (5) 式中:籽 为流体密度;t 为时间;ui和 uj为流场速度,代 表 u、v、w 三个坐标方向的速度分量,其中 i 和 j 分别 取 1、2、3,i 和 j 可同时取相同值;xi和 xj为 x、y、z 的 三个坐标分量;p 为时均压力;滋 为动力黏度;滋t 为 湍流黏度,滋t = 籽C滋 k 2 着 ;Si 是动量守恒方程的广义源 项;cA为组分 A 摩尔浓度;DAB为组分 A 在组分 B 中 的扩散系数;DT 为湍流扩散系数;Pk = 滋t ( 鄣ui 鄣xj + 鄣uj 鄣x ) i 鄣ui 鄣xj ;方程中涉及的经验常数取值分别为 C滋 = 0郾 09,滓k = 1郾 0,滓着 = 1郾 3,C着1 = 1郾 44,C着2 = 1郾 92 [23] . 1郾 3 初始条件和边界条件 空调送风口及送氧口的入口条件均为入口风速 (Vin ),即假定入口风速均匀分布,Vin = Q·M -1 ,Q 为送 ·1063·
·1064· 工程科学学报，第41卷，第8期 氧口的进口流量，M为送氧口的截面积：出口条件为出 流形式进入密闭建筑房间内，分别选择送氧口管径10 口压力(pressure-outlet),l01325Pa:固体壁面的速度条 mm和6mm,并以单送氧口和双送氧口的供氧方式进 件为u=v=0=0,固体壁面的温度条件为温度T=T., 行送氧，分别研究非空调工况及空调工况下的密闭建 T为常数：气体温度为298K:收敛条件为残差的绝对 筑房间内的富氧特性及富氧效果非空调工况下室内 值小于10~4.圆形送氧口设置于侧墙壁面空调送风口 弥散供氧的初始条件及内容，如表2所示.空调工况下 的中心位置，送出氧气体积分数为99%的氧气并以射 室内富氧的初始条件及内容，如表3所示 表2非空调工况下的初始条件及内容 Table 2 Numerical simulation conditions and contents in non-air-conditioning conditions 送氧口个数及 送氧体积分数/ 送氧口管径/ 总送氧流量/ 单个送氧口流量/ 送氧流速/ 序号 方式 % mm (m3-h1) (m3.h-1) (m51) 1(经直) 99 10 2 7.08 1(竖) 99 10 1.5 1.5 5.31 T(整直) 99 10 1 1 3.54 1(竖直) 99 10 0.5 0.5 1.77 5 1(整) 99 10 0.2 0.2 0.71 6 1(竖) 99 6 2 3 19.66 7 1(经直) 99 6 1.5 1.5 14.74 8 1(经直) 99 6 1 1 9.83 9 1(经直 99 6 0.5 0.5 4.91 10 1(竖D 99 6 0.2 0.2 1.96 11 2(竖直.相对45.相背45) 99 10 2 1 3.54 12 2（竖直.期对46°，相背45） 99 10 1.5 0.75 2.66 13 2(竖直.相对45相背45) 99 9 1 0.5 1.77 4 2（竖直.相对45相背45） 99 10 0.5 0.25 0.89 15 2(竖直.瓶对45.相背45) 99 10 0.2 0.1 0.36 16 2(竖直.瓶对45.相背45) 99 6 2 1 9.83 ◇ 2(竖直对45相背45） 99 6 1.5 0.75 7.37 18 2(竖直.糊对45°.相背45） 99 6 0.5 4.91 19 2(整直.瓶对45.相背45) 99 6 0.5 0.25 2.46 30 2(竖直相对45相背45) 99 6 0.2 0.1 0.98 表3空调工况下的空调送、回风的模拟条件 6.3对前述控制方程进行求解，方程离散采用有限 Table 3 Numerical simulation conditions and contents in air-condition- 体积法，压力和速度的耦合算法采用SIMPLE方法， ing conditions 收敛标准为离散化守恒方程的残差小于104 送风速度， 送风速度， 空调送风方式 空调送风方式 V/(m.s-1) V/(m.s-1) 1.5实验方法验证 为验证数值模拟计算的准确性，在北京某高校 同侧上送下回 0.85 异侧上送下回 0.85 人工气候室内完成密闭建筑空间非空调工况下的富 同侧上送下回 1 异侧上送下回 1 氧特性实验.密闭建筑房间的供氧系统实验装置由 同侧上送下回 1.4 异侧上送下回 1.4 变压吸附制氧装置、缓冲罐、氧化锆氧浓度检测器、 1.4网格划分与计算方法 转子流量计、氧浓度传感器、数据采集卡、上位机等 对密闭建筑房间进行了非结构网格划分，网格 组成[]，如图3所示.Z0-101T型氧化锆氧浓度检 数量为680661，时间步长取0.1s,总体计算时间为 测器用来测量变压吸附制氧机所制出的氧气浓度， 120s,并通过了网格无关性检查.由于密闭建筑房 测量范围为0.1%~100%，测量精度为全量程的 间和送氧口的几何尺寸相差较大，所以在送氧口附 2%;DK800-6F转子流量计控制送氧流量，测量范 近采用局部网格加密处理.利用CFD软件Fluent 围为0~2m3.h-1:USB5936型数据采集卡用于采集
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 氧口的进口流量,M 为送氧口的截面积;出口条件为出 口压力(pressure鄄outlet),101325 Pa;固体壁面的速度条 件为 u = v = w =0,固体壁面的温度条件为温度 T = Tw, Tw为常数;气体温度为 298 K;收敛条件为残差的绝对 值小于10 -4 . 圆形送氧口设置于侧墙壁面空调送风口 的中心位置,送出氧气体积分数为 99% 的氧气并以射 流形式进入密闭建筑房间内,分别选择送氧口管径 10 mm 和6 mm,并以单送氧口和双送氧口的供氧方式进 行送氧,分别研究非空调工况及空调工况下的密闭建 筑房间内的富氧特性及富氧效果. 非空调工况下室内 弥散供氧的初始条件及内容,如表2 所示. 空调工况下 室内富氧的初始条件及内容,如表3 所示. 表 2 非空调工况下的初始条件及内容 Table 2 Numerical simulation conditions and contents in non鄄air鄄conditioning conditions 序号 送氧口个数及 方式 送氧体积分数/ % 送氧口管径/ mm 总送氧流量/ (m 3·h - 1 ) 单个送氧口流量/ (m 3·h - 1 ) 送氧流速/ (m·s - 1 ) 1 1(竖直) 99 10 2 2 7郾 08 2 1(竖直) 99 10 1郾 5 1郾 5 5郾 31 3 1(竖直) 99 10 1 1 3郾 54 4 1(竖直) 99 10 0郾 5 0郾 5 1郾 77 5 1(竖直) 99 10 0郾 2 0郾 2 0郾 71 6 1(竖直) 99 6 2 2 19郾 66 7 1(竖直) 99 6 1郾 5 1郾 5 14郾 74 8 1(竖直) 99 6 1 1 9郾 83 9 1(竖直) 99 6 0郾 5 0郾 5 4郾 91 10 1(竖直) 99 6 0郾 2 0郾 2 1郾 96 11 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 2 1 3郾 54 12 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 1郾 5 0郾 75 2郾 66 13 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 1 0郾 5 1郾 77 14 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 0郾 5 0郾 25 0郾 89 15 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 10 0郾 2 0郾 1 0郾 36 16 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 2 1 9郾 83 17 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 1郾 5 0郾 75 7郾 37 18 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 1 0郾 5 4郾 91 19 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 0郾 5 0郾 25 2郾 46 20 2(竖直、相对45毅 、相背45毅 ) 99 6 0郾 2 0郾 1 0郾 98 表 3 空调工况下的空调送、回风的模拟条件 Table 3 Numerical simulation conditions and contents in air鄄condition鄄 ing conditions 空调送风方式 送风速度, Vin / (m·s - 1 ) 空调送风方式 送风速度, Vin / (m·s - 1 ) 同侧上送下回 0郾 85 异侧上送下回 0郾 85 同侧上送下回 1 异侧上送下回 1 同侧上送下回 1郾 4 异侧上送下回 1郾 4 1郾 4 网格划分与计算方法 对密闭建筑房间进行了非结构网格划分,网格 数量为 680661,时间步长取 0郾 1 s,总体计算时间为 120 s,并通过了网格无关性检查. 由于密闭建筑房 间和送氧口的几何尺寸相差较大,所以在送氧口附 近采用局部网格加密处理. 利用 CFD 软件 Fluent 6郾 3 对前述控制方程进行求解,方程离散采用有限 体积法,压力和速度的耦合算法采用 SIMPLE 方法, 收敛标准为离散化守恒方程的残差小于 10 - 4 . 1郾 5 实验方法验证 为验证数值模拟计算的准确性,在北京某高校 人工气候室内完成密闭建筑空间非空调工况下的富 氧特性实验. 密闭建筑房间的供氧系统实验装置由 变压吸附制氧装置、缓冲罐、氧化锆氧浓度检测器、 转子流量计、氧浓度传感器、数据采集卡、上位机等 组成[9] ,如图 3 所示. ZO鄄鄄101T 型氧化锆氧浓度检 测器用来测量变压吸附制氧机所制出的氧气浓度, 测量范围为 0郾 1% ~ 100% ,测量精度为全量程的 2% ;DK800鄄鄄6F 转子流量计控制送氧流量,测量范 围为 0 ~ 2 m 3·h - 1 ;USB5936 型数据采集卡用于采集 ·1064·
王浩宇等：缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 ·1065· 墙壁面空调送风口的中心位置的圆形送氧口，并以 射流形式进入密闭建筑房间内.氧浓度传感器安置 0 在固定支架上并进行吊装，通过改变氧浓度传感器 距送氧口的轴向距离来探测不同位置的氧气浓度， 1213 313233 就可以测得密闭建筑空间内任意轴向或径向位置处 的氧气浓度 10 2模拟结果与分析 11 2.1模型验证结果 1一-变压吸附制氧装置：2一氧化锆氧浓度检测器：3一缓冲罐； 4,5,7,8一球阀：6一转子流量计：9一圆形送氧口：10一数据采 图4给出了非空调工况下模型预测的氧气体积 集卡：11一上位计算机：12~33一氧浓度传感器 分数大于22%的富氧范围模拟值与实验值的对比 图3实验装置示意图 情况.从图中可以看出，无论单送氧口还是双送氧 Fig.3 Schematic diagram of the experimental unit 口，在轴向和径向上所形成的富氧范围模拟值均比 实验值大，这是由于实验过程中密闭建筑房间内存 氧浓度信号并进行实时采集和记录：日本费加罗氧 在着微小风速（不完全密闭）且伴有人员干扰因素， 气传感器KE-25用于测量不同位置的氧浓度，测量 因此加强了室内氧气的扩散效果，且氧气在扩散过 范围0~100%，响应时间14±2s,范围精度为± 程中的损失较多：另外由图4还可以看出富氧范围 1%.变压吸附制氧装置制取出的高浓度富氧气体 的模拟值与实验值在轴向和径向误差均小于0.25 通入缓冲罐，经氧化锆氧浓度检测器检测其浓度后， m,因此可认为该数学模型能够较好地预测密闭建 流经转子流量计控制其送氧流量，再通过设置于侧 筑房间内的富氧特性及富氧效果 1.0 1.0p (a) b) 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 -0.2 -0.2 0.4 o-模拟送氧口管径10mm,送氧流量1m3.h' -0.4 o-模拟.送氧口管径10mm,送氧流量1m'.h1,竖直 -0.6 0模拟，送氧口管径10mm,送氧流量2m.h1 -0.6 0-模拟，送氧口管径10mm送氧流量2mh',竖直 一实验送氧口管径10mm,送氧流量1m3.hl 0.8 -0.8 一实验，送氧口管径10mm送氧流量1mh',竖直 ◆实验，送氧口管径10mm,送氧流量2m3.hl ◆一实验送氧口管径10mm,送氧流量2m3.h',竖直 -1.0002040.6081012141.61.820 -1.0020406081.0121416182.0 距送氧口轴向距离/m 距送氧口轴向距离m 图4非空调工况下模型预测的富氧范围与实验值的对比.()单送氧口：(b)双送氧口 Fig.4 Comparison of the oxygen-enriched region using the predicted model with experimental results in non-air-conditioning conditions:(a)single oxygen-feeding port;(b)double oxygen-feeding ports 2.2非空调工况下气体流动特性及富氧效果 0.15、0.35m的位置处的气体轴向速度分别为 2.2.1非空调工况下氧气轴向最大速度分布 0.62、0.22,0.11ms1.这是因为在相同的送氧流 图5为时间t=120s时非空调工况下单送氧口 量下，送氧口的管径越小，送氧流速越大，使得相同 送氧流量不同时的气体轴向最大速度分布.由图可 轴向距离上的速度更大. 以看出，富氧气体从送氧口以一定速度射出后，随着 图6为t=120s时非空调工况下双送氧口送氧 轴向距离的逐渐增加，轴向最大速度呈递减趋势，且 流量相同、送氧方式不同的气体轴向最大速度分布. 在距离送氧口轴向距离0.6m的范围内，气体轴向 由图6可以看出，双送氧口送氧流量相同、送氧方式 最大速度迅速降低，然后逐渐稳定并接近零.由图5 不同的气体轴向最大速度的递减变化趋势与单送氧 还可以看出，送氧流量为2m3.h-1时，管径为6mm 口是相似的，气体轴向最大速度都是随着轴向距离 的送氧口在轴向距离为0.05、0.15、0.35m的位置 的增加逐渐递减，逐渐稳定并接近零.由图6还可 处的气体轴向最大速度分别为2.02、0.73、0.3m· 以看出，双送氧口竖直向前送氧且总送氧流量为 s-:管径为10mm的送氧口在轴向距离为0.05、 1.5m3.h-1时，管径为6mm的送氧口在轴向距离为
王浩宇等: 缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 1—变压吸附制氧装置; 2—氧化锆氧浓度检测器; 3—缓冲罐; 4,5,7,8—球阀; 6—转子流量计; 9—圆形送氧口; 10—数据采 集卡; 11—上位计算机; 12 ~ 33—氧浓度传感器 图 3 实验装置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the experimental unit 氧浓度信号并进行实时采集和记录;日本费加罗氧 气传感器 KE鄄鄄25 用于测量不同位置的氧浓度,测量 范围 0 ~ 100% ,响应时间 14 依 2 s,范围精度为 依 1% . 变压吸附制氧装置制取出的高浓度富氧气体 通入缓冲罐,经氧化锆氧浓度检测器检测其浓度后, 流经转子流量计控制其送氧流量,再通过设置于侧 墙壁面空调送风口的中心位置的圆形送氧口,并以 射流形式进入密闭建筑房间内. 氧浓度传感器安置 在固定支架上并进行吊装,通过改变氧浓度传感器 距送氧口的轴向距离来探测不同位置的氧气浓度, 就可以测得密闭建筑空间内任意轴向或径向位置处 的氧气浓度. 2 模拟结果与分析 2郾 1 模型验证结果 图 4 给出了非空调工况下模型预测的氧气体积 分数大于 22% 的富氧范围模拟值与实验值的对比 情况. 从图中可以看出,无论单送氧口还是双送氧 口,在轴向和径向上所形成的富氧范围模拟值均比 实验值大,这是由于实验过程中密闭建筑房间内存 在着微小风速(不完全密闭)且伴有人员干扰因素, 因此加强了室内氧气的扩散效果,且氧气在扩散过 程中的损失较多;另外由图 4 还可以看出富氧范围 的模拟值与实验值在轴向和径向误差均小于 0郾 25 m,因此可认为该数学模型能够较好地预测密闭建 筑房间内的富氧特性及富氧效果. 图 4 非空调工况下模型预测的富氧范围与实验值的对比 郾 (a) 单送氧口; (b) 双送氧口 Fig. 4 Comparison of the oxygen鄄enriched region using the predicted model with experimental results in non鄄air鄄conditioning conditions: ( a) single oxygen鄄feeding port; (b) double oxygen鄄feeding ports 2郾 2 非空调工况下气体流动特性及富氧效果 2郾 2郾 1 非空调工况下氧气轴向最大速度分布 图 5 为时间 t = 120 s 时非空调工况下单送氧口 送氧流量不同时的气体轴向最大速度分布. 由图可 以看出,富氧气体从送氧口以一定速度射出后,随着 轴向距离的逐渐增加,轴向最大速度呈递减趋势,且 在距离送氧口轴向距离 0郾 6 m 的范围内,气体轴向 最大速度迅速降低,然后逐渐稳定并接近零. 由图 5 还可以看出,送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位置 处的气体轴向最大速度分别为 2郾 02、0郾 73、0郾 3 m· s - 1 ;管径为 10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 05、 0郾 15、0郾 35 m 的 位 置 处 的 气 体 轴 向 速 度 分 别 为 0郾 62、0郾 22、0郾 11 m·s - 1 . 这是因为在相同的送氧流 量下,送氧口的管径越小,送氧流速越大,使得相同 轴向距离上的速度更大. 图 6 为 t = 120 s 时非空调工况下双送氧口送氧 流量相同、送氧方式不同的气体轴向最大速度分布. 由图 6 可以看出,双送氧口送氧流量相同、送氧方式 不同的气体轴向最大速度的递减变化趋势与单送氧 口是相似的,气体轴向最大速度都是随着轴向距离 的增加逐渐递减,逐渐稳定并接近零. 由图 6 还可 以看出,双送氧口竖直向前送氧且总送氧流量为 1郾 5 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 ·1065·
·1066· 工程科学学报，第41卷，第8期 10 -送氧流量0.2m3,h-1 ·-送氧流量0.2m3.h- +送氧流量0.5m3.h 送氧流量0.5m3h ·送氧流量1.0m3.h ·送氧流量1.0m3.h-1 8 *-送氧流量1.5m3.h1 ★送氧流量1.5m3.h ◆送氧流量2.0m3.h-l ◆送氧流量2.0m3h 6 04 00.30.60.91.21.51.82.12.42.73.0 0 0.30.60.91.2151.82.12.42.73.0 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离m 图5非空调工况下单送氧口送氧流量不同时的轴向最大速度分布.(a)送氧口管径6mm:(b)送氧口管径10mm Fig.5 Axial velocity distribution of the single oxygen-feeding port in non-air-conditioning conditions:(a)outlet diameter 6mm;(b)outlet diameter 10mm a 1.6 (b) ◆竖直送氧 1.4 +竖直送氧 *相对45 +相对45° +相背45 +相背45° 1.0 08 0.4 0.6 0.3 0.4 0.2 0.1 0.2 00030.60.91.21.51.82.12.42.73.0 0003060912151821242730 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离/m 图6非空调工况下双送氧口送氧流量相同，送氧方式不同时的轴向最大速度分布.(a)送氧口管径6mm:(b)送氧口管径10mm Fig.6 The axial maximum velocity distribution of the double oxygen-feeding ports when the oxygen supply flow rate is same,but the oxygen supply mode is different in non-air-conditioning conditions:(a)outlet diameter 6mm;(b)outlet diameter 10mm 0.05、0.15、0.35m的位置处的气体轴向最大速度分 以看出，单送氧口时，送氧管径为6mm、送氧流量不 别为0.83、0.280.12ms1;管径为10mm的送氧 同时所形成的富氧范围大体呈“扁椭圆”形状：送氧 口在轴向距离为0.05、0.15、0.35m的位置处的气 管径为l0mm、送氧流量不同时所形成的富氧范围 体轴向速度分别为0.55、0.2、0.07m·s1.双送氧 大体呈“扇形”，且送氧流量越大，所形成的富氧范 口相对45送氧且总送氧流量为1.5m3h-时，管径 围也就越大.这是因为送氧流量越大，高纯度氧气 为6mm的送氧口在轴向距离为0.05、0.15、0.35m 的出流速度就越大，且氧气进入房间流动时具有轴 的位置处的气体轴向最大速度分别为0.75、0.25、 向和径向的延展性能252).由图7(b)可以看出，总 0.1m·s-1:管径为10mm的送氧口在轴向距离为 送氧流量均为1m3.h-1时，不同管径的双送氧口分 0.05、0.15、0.35m的位置处的气体轴向速度分别为 别采用竖直向前、相对45°、相背45°三种方式进行 0.33、0.1、0.04ms-1.双送氧口相背45°送氧且总 送氧，所形成的富氧范围差异较大.双孔送氧且送 送氧流量为1.5m3.h-时，管径为6mm的送氧口在 氧管径为6mm时，采用竖直向前和相对45°方式进 轴向距离为0.05、0.15、0.35m的位置处的气体轴 行送氧所形成的富氧范围接近“扇形”，且竖直向前 向最大速度分别为0.57、0.2、0.07ms-1:管径为10 所形成的富氧范围比相对45°送氧所形成的富氧范 mm的送氧口在轴向距离为0.050.15、0.35m的位 围要大，这是因为双送氧口相对45°进行送氧时，氧 置处的气体轴向速度分别为0.270.09,0.03ms1. 气以一定的出流速度从送氧口射出后，两股气体交 2.2.2非空调工况下形成的富氧范围及富氧面积 汇在一起，气体分子直接发生相互碰撞，使得气体的 图7为t=120s时非空调工况下送氧口个数及 流动速度减弱.采用相背45°方式进行送氧时，管径 送氧方式不同时形成的富氧范围[2].由图7(a)可 为6mm的双送氧口所形成的富氧范围大体呈2片
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 图 5 非空调工况下单送氧口送氧流量不同时的轴向最大速度分布. (a)送氧口管径 6 mm; (b) 送氧口管径 10 mm Fig. 5 Axial velocity distribution of the single oxygen鄄feeding port in non鄄air鄄conditioning conditions: (a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet diameter 10 mm 图 6 非空调工况下双送氧口送氧流量相同、送氧方式不同时的轴向最大速度分布 郾 (a) 送氧口管径 6 mm; (b) 送氧口管径 10 mm Fig. 6 The axial maximum velocity distribution of the double oxygen鄄feeding ports when the oxygen supply flow rate is same, but the oxygen supply mode is different in non鄄air鄄conditioning conditions: (a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet diameter 10 mm 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位置处的气体轴向最大速度分 别为 0郾 83、0郾 28、0郾 12 m·s - 1 ;管径为 10 mm 的送氧 口在轴向距离为 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位置处的气 体轴向速度分别为 0郾 55、0郾 2、0郾 07 m·s - 1 . 双送氧 口相对45毅送氧且总送氧流量为1郾 5 m 3·h - 1时,管径 为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位置处的气体轴向最大速度分别为 0郾 75、0郾 25、 0郾 1 m·s - 1 ;管径为 10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位置处的气体轴向速度分别为 0郾 33、0郾 1、0郾 04 m·s - 1 . 双送氧口相背 45毅送氧且总 送氧流量为 1郾 5 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在 轴向距离为 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位置处的气体轴 向最大速度分别为 0郾 57、0郾 2、0郾 07 m·s - 1 ;管径为 10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 05、0郾 15、0郾 35 m 的位 置处的气体轴向速度分别为0郾 27、0郾 09、0郾 03 m·s -1 . 2郾 2郾 2 非空调工况下形成的富氧范围及富氧面积 图 7 为 t = 120 s 时非空调工况下送氧口个数及 送氧方式不同时形成的富氧范围[24] . 由图 7( a)可 以看出,单送氧口时,送氧管径为 6 mm、送氧流量不 同时所形成的富氧范围大体呈“扁椭圆冶形状;送氧 管径为 10 mm、送氧流量不同时所形成的富氧范围 大体呈“扇形冶,且送氧流量越大,所形成的富氧范 围也就越大. 这是因为送氧流量越大,高纯度氧气 的出流速度就越大,且氧气进入房间流动时具有轴 向和径向的延展性能[25鄄鄄26] . 由图 7(b)可以看出,总 送氧流量均为 1 m 3·h - 1时,不同管径的双送氧口分 别采用竖直向前、相对 45毅、相背 45毅三种方式进行 送氧,所形成的富氧范围差异较大. 双孔送氧且送 氧管径为 6 mm 时,采用竖直向前和相对 45毅方式进 行送氧所形成的富氧范围接近“扇形冶,且竖直向前 所形成的富氧范围比相对 45毅送氧所形成的富氧范 围要大,这是因为双送氧口相对 45毅进行送氧时,氧 气以一定的出流速度从送氧口射出后,两股气体交 汇在一起,气体分子直接发生相互碰撞,使得气体的 流动速度减弱. 采用相背 45毅方式进行送氧时,管径 为 6 mm 的双送氧口所形成的富氧范围大体呈 2 片 ·1066·
王浩宇等：缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 ·1067· 2.0 2.0 0一模拟.送氧口管径6mm.送氧流量1m3.h 0 模拟，送氧流量1m3.h-, 1.5 0一模拟送氧口管径6mm,送氧流量2m3.h1 15 模拟.送氧流量1m3h 1.0 △一模拟，送氧口管径10mm,送氧流量1m3.h1 1.0 相对45a 。一模拟，送氧口管径10mm,送氧流量2m3·hl 模拟，送氧流量1㎡3，h- 0.5 0.5 相背45 0 0-0 05 -0.5 -1.0 -1.0 -1.5 -15 (a) (b) -2.00051015202530354045 -2.0 0.51.0152.02.5 3.0 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离m 1.0 0.8 o一模拟，送氧流量1m3h,竖直向前 o一模拟，送氧流量1m3,h-,相对45 0.6 4一模拟送氧流量13.h,相背45 0.4 0.2 品 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 (c) -10002040.6081.01214161.82.0 距送氧口轴向距离m 图7非空调工况下送氧口个数及送氧方式不同时的富氧范围.(a)单送氧口：(b)双送氧口（送氧口管径6mm):(c)双送氧口（送氧口 管径10mm) Fig.7 Oxygen-enriched region with different oxygen-feeding ports and oxygen-feeding mode in non-air-conditioning conditions:(a)single oxygen- feeding port;(b)double oxygen-feeding ports (outlet diameter 6 mm);(c)double oxygen-feeding ports (outlet diameter 10 mm) “扇叶”形状.由图7(c)可以看出，双孔送氧且送氧 送氧方式下所得到的富氧面积，如表4所示.由表 管径为10mm时，采用竖直向前和相对45°方式进 4可以看出，单送氧口时，管径为6mm的送氧口所 行送氧所形的富氧范围接近“大半个圆”形状，且竖 得到富氧面积比管径为10mm的送氧口所得到富 直向前所形成的富氧范围比相对45°送氧所形成的 氧面积大50%左右：双送氧口时，不同管径、不同 富氧范围要大，这是因为双送氧口相对45°进行送 送氧方式所形成的富氧面积大小依次是：管径为6 氧时，氧气以一定的出流速度从送氧口射出后，两股 mm且相背45°送氧>管径为6mm且竖直向前送 气体交汇在一起，气体分子直接发生相互碰撞，使得 氧>管径为6mm且相对45°送氧>管径为10mm 气体的流动速度减弱.采用相背45°方式进行送氧 且相背45°送氧>管径为10mm且竖直向前送氧> 时，管径为10mm的双送氧口所形成的富氧范围大 管径为10mm且相对45°送氧.因此非空调工况下， 体呈2个“半圆”形状 宜采用管径为6mm的双送氧口进行送氧，并且两送 当t=120s、非空调工况下且总送氧流量为1m3. 氧口的夹角越大越好，夹角越大所形成的富氧面积 h时，不同的送氧管径、不同的送氧口个数及不同 就越大 表4非空调工况下的送氧方式及送氧口流量不同时形成的富氧面积 Table 4 Oxygen-enriched area with different oxygen-feeding modes and oxygen flow rates in non-air-conditioning conditions 序号 总送氧流量/(m3.h1)单个送氧口流量/(m3,h1) 送氧口管径/mm送氧口个数及送氧方式富氧面积/m2 0 1(整直) 0.66 2 6 1(竖直) 1.19 0.5 2(竖直 0.39 4 1 0.5 6 2(竖直) 1.16 1 0.5 10 2(相对45) 0.22 6 0.5 6 2(相对45) 0.79 > 1 0.5 10 2(相背45) 0.64 1 0.5 6 2(相背451 1.57
王浩宇等: 缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 图 7 非空调工况下送氧口个数及送氧方式不同时的富氧范围 郾 (a) 单送氧口; (b) 双送氧口(送氧口管径 6 mm); (c) 双送氧口(送氧口 管径 10 mm) Fig. 7 Oxygen鄄enriched region with different oxygen鄄feeding ports and oxygen鄄feeding mode in non鄄air鄄conditioning conditions: ( a) single oxygen鄄 feeding port; (b) double oxygen鄄feeding ports (outlet diameter 6 mm); (c) double oxygen鄄feeding ports (outlet diameter 10 mm) “扇叶冶形状. 由图 7(c)可以看出,双孔送氧且送氧 管径为 10 mm 时,采用竖直向前和相对 45毅方式进 行送氧所形的富氧范围接近“大半个圆冶形状,且竖 直向前所形成的富氧范围比相对 45毅送氧所形成的 富氧范围要大,这是因为双送氧口相对 45毅进行送 氧时,氧气以一定的出流速度从送氧口射出后,两股 气体交汇在一起,气体分子直接发生相互碰撞,使得 气体的流动速度减弱. 采用相背 45毅方式进行送氧 时,管径为 10 mm 的双送氧口所形成的富氧范围大 体呈 2 个“半圆冶形状. 当 t =120 s、非空调工况下且总送氧流量为 1 m 3· h - 1时,不同的送氧管径、不同的送氧口个数及不同 送氧方式下所得到的富氧面积,如表 4 所示. 由表 4 可以看出,单送氧口时,管径为 6 mm 的送氧口所 得到富氧面积比管径为 10 mm 的送氧口所得到富 氧面积大 50% 左右;双送氧口时,不同管径、不同 送氧方式所形成的富氧面积大小依次是:管径为 6 mm 且相背 45毅送氧 > 管径为 6 mm 且竖直向前送 氧 > 管径为 6 mm 且相对 45毅送氧 > 管径为 10 mm 且相背 45毅送氧 > 管径为 10 mm 且竖直向前送氧 > 管径为 10 mm 且相对 45毅送氧. 因此非空调工况下, 宜采用管径为 6 mm 的双送氧口进行送氧,并且两送 氧口的夹角越大越好,夹角越大所形成的富氧面积 就越大. 表 4 非空调工况下的送氧方式及送氧口流量不同时形成的富氧面积 Table 4 Oxygen鄄enriched area with different oxygen鄄feeding modes and oxygen flow rates in non鄄air鄄conditioning conditions 序号 总送氧流量/ (m 3·h - 1 ) 单个送氧口流量/ (m 3·h - 1 ) 送氧口管径/ mm 送氧口个数及送氧方式 富氧面积/ m 2 1 1 1 10 1(竖直) 0郾 66 2 1 1 6 1(竖直) 1郾 19 3 1 0郾 5 10 2(竖直) 0郾 39 4 1 0郾 5 6 2(竖直) 1郾 16 5 1 0郾 5 10 2(相对45毅 ) 0郾 22 6 1 0郾 5 6 2(相对45毅 ) 0郾 79 7 1 0郾 5 10 2(相背45毅 ) 0郾 64 8 1 0郾 5 6 2(相背45毅 ) 1郾 57 ·1067·
·1068· 工程科学学报，第41卷，第8期 2.3空调工况下富氧气体流动特性及富氧效果 异侧上送下回且送氧流量为2m3.h1时，管径为6 2.3.1空调工况下氧气轴向最大速度分布 mm的送氧口在轴向距离为0.15、0.45、0.75m的位 图8为t=120s时空调工况下(Vm=0.85m· 置处的气体轴向最大速度分别为2.28、1.03、0.74 s)单送氧口送氧流量不同、送风方式不同时的轴 ms;管径为10mm的送氧口在轴向距离为0.15、 向最大速度分布.由图8可以看出，单送氧口送氧 0.45、0.75m的位置处的气体轴向速度分别为 流量不同时的轴向最大速度随轴向距离的增大而减 3.88、1.23、0.87ms1.通过比较分析可得，空调 小，轴向距离在0~1m的范围内，轴向速度衰减最 工况下的单送氧口进行送氧时，相同管径相同送 快：轴向距离1~7m的范围，轴向速度进入相对平 氧流量下的异侧上送下回的轴向最大速度整体比 稳的阶段.由图8还可以看出，同侧上送下回且送 同侧上送下回的轴向最大速度要大一些.这是由 氧流量为2m3.h-1时，管径为6mm的送氧口在轴向 于同侧上送下回时，室内气流存在较大的输运作 距离为0.15、0.45、0.75m的位置处的气体轴向最 用，迅速的将室内气体送至回风口并排出，从而减 大速度分别为2.12,0.88,0.63ms1:管径为10mm 少了富氧气体在室内形成的富氧区域.因此，空调 的送氧口在轴向距离为0.15、0.45、0.75m的位置 工况下的室内富氧应优先选择异侧上送下回的送 处的气体轴向速度分别为3.68、1.04、0.66ms1 风方式 25 40 a-同侧上送下回，送氧流量1.0m3.h 35 日一同侧上送下回，送氧流量1.0m3.h 2.0 0-同恻上送下回，送氧流量1.5m3.h1 o一同侧上送下回，送氧流量1.5m3.h- a同侧上送下回，送氧流量2.03.h1 3.0$ 4同侧上送下回，送氧流量2.0m.h -异侧上送下回，送氧流量1.0m3.hl 。-异侧上送下回，送氧流量1.0m3,h- 1.5 0-异测上送下回，送氧流量1.5m3,h :25 -。-异侧上送下回，送氧流量1.5m3,h 0-异侧上送下回，送氧流量2.0m3.h1 是2n 0-异侧上送下回，送氧流量2.0m.h 10 1.5 1.0f 0.5 3888888888883888883 含浴 0.5 8中件书书 2345 6 2 345 6 距送氧口轴向距离/m 距送氧口轴向距离m 图8空调工况下(Vn=0.85ms1)单送氧口送氧流量及送风方式不同时的轴向最大速度分布.(a)送氧口管径6mm:(b)送氧口管径 10mm Fig.8 Axial velocity distribution of the single oxygen-feeding port with different oxygen flow rates and different air supply methods in air-conditioning conditions (V =0.85 m's"):(a)outlet diameter 6 mm;(b)outlet diameter 10 mm 图9为t=120s时空调工况下(Va=0.85m· s)单送氧口的送氧流量及空调送风方式不同时的 s1)双送氧口竖直送氧、送氧流量及送风方式不同 富氧范围.由图10(a)可以看出，单送氧口且送氧 时的轴向最大速度分布.由图9可以看出，同侧上 口管径为6mm时，空调送风方式及送氧流量不同时 送下回且送氧流量为2m3.h-时，管径为6mm的送 所形成的富氧范围大体呈“扁椭圆”形状，且送氧流 氧口在轴向距离为0.15、0.45、0.75m的位置处的 量越大，所形成的富氧范围就越大：相同送氧流量 气体轴向最大速度分别为1.6、0.72、0.59ms1;管 下，异侧上送下回比同侧上送下回所形成的富氧范 径为10mm的送氧口在轴向距离为0.15、0.45、 围要大.由图10(b)可以看出，单送氧口且送氧口 0.75m的位置处的气体轴向速度分别为1.77、 管径为l0mm时，空调送风方式及送氧流量不同时 0.78、0.57m·s-1.异侧上送下回且送氧流量为2 所形成的富氧范围大体呈“椭圆”形状：且送氧流量 m3h-1时，管径为6mm的送氧口在轴向距离为 越大，所形成的富氧范围就越大：在相同流量下，异 0.150.45,0.75m的位置处的气体轴向最大速度分 侧上送下回与同侧上送下回所形成的富氧范围基本 别为1.710.83、0.67ms1;管径为10mm的送氧 相同，这说明当送氧口管径为10mm时，送回风方式 口在轴向距离为0.15、0.45、0.75m的位置处的气 的变化对室内的富氧范围影响并不大.这是因为送 体轴向速度分别为1.87、0.89,0.67ms 氧口管径较小时，出氧口的出氧流速较大，并在空调 2.3.2空调工况下形成的富氧范围及富氧面积 异侧上送下回的送风方式下迅速扩散，氧气扩散的 图10为t=120s时空调工况下(Vn=0.85m· 范围较大，使得异侧上送下回时的富氧区域最大：当
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 2郾 3 空调工况下富氧气体流动特性及富氧效果 2郾 3郾 1 空调工况下氧气轴向最大速度分布 图 8 为 t = 120 s 时空调工况下( Vin = 0郾 85 m· s - 1 )单送氧口送氧流量不同、送风方式不同时的轴 向最大速度分布. 由图 8 可以看出,单送氧口送氧 流量不同时的轴向最大速度随轴向距离的增大而减 小,轴向距离在 0 ~ 1 m 的范围内,轴向速度衰减最 快;轴向距离 1 ~ 7 m 的范围,轴向速度进入相对平 稳的阶段. 由图 8 还可以看出,同侧上送下回且送 氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向 距离为 0郾 15、0郾 45、0郾 75 m 的位置处的气体轴向最 大速度分别为2郾 12、0郾 88、0郾 63 m·s - 1 ;管径为10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 45、0郾 75 m 的位置 处的气体轴向速度分别为 3郾 68、1郾 04、0郾 66 m·s - 1 . 异侧上送下回且送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 45、0郾 75 m 的位 置处的气体轴向最大速度分别为 2郾 28、1郾 03、0郾 74 m·s - 1 ;管径为 10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、 0郾 45、0郾 75 m 的 位 置 处 的 气 体 轴 向 速 度 分 别 为 3郾 88、1郾 23、0郾 87 m·s - 1 . 通过比较分析可得,空调 工况下的单送氧口进行送氧时,相同管径相同送 氧流量下的异侧上送下回的轴向最大速度整体比 同侧上送下回的轴向最大速度要大一些. 这是由 于同侧上送下回时,室内气流存在较大的输运作 用,迅速的将室内气体送至回风口并排出,从而减 少了富氧气体在室内形成的富氧区域. 因此,空调 工况下的室内富氧应优先选择异侧上送下回的送 风方式. 图 8 空调工况下(Vin = 0郾 85 m·s - 1 )单送氧口送氧流量及送风方式不同时的轴向最大速度分布. (a) 送氧口管径 6 mm; ( b) 送氧口管径 10 mm Fig. 8 Axial velocity distribution of the single oxygen鄄feeding port with different oxygen flow rates and different air supply methods in air鄄conditioning conditions (Vin = 0郾 85 m·s - 1 ): (a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet diameter 10 mm 图 9 为 t = 120 s 时空调工况下( Vin = 0郾 85 m· s - 1 )双送氧口竖直送氧、送氧流量及送风方式不同 时的轴向最大速度分布. 由图 9 可以看出,同侧上 送下回且送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送 氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 45、0郾 75 m 的位置处的 气体轴向最大速度分别为 1郾 6、0郾 72、0郾 59 m·s - 1 ;管 径为 10 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 45、 0郾 75 m 的位置处的气体轴向速度分别为 1郾 77、 0郾 78、0郾 57 m·s - 1 . 异侧上送下回且送氧流量为 2 m 3·h - 1时,管径为 6 mm 的送氧口在轴向距离为 0郾 15、0郾 45、0郾 75 m 的位置处的气体轴向最大速度分 别为 1郾 71、0郾 83、0郾 67 m·s - 1 ;管径为 10 mm 的送氧 口在轴向距离为 0郾 15、0郾 45、0郾 75 m 的位置处的气 体轴向速度分别为 1郾 87、0郾 89、0郾 67 m·s - 1 . 2郾 3郾 2 空调工况下形成的富氧范围及富氧面积 图 10 为 t = 120 s 时空调工况下(Vin = 0郾 85 m· s - 1 )单送氧口的送氧流量及空调送风方式不同时的 富氧范围. 由图 10( a)可以看出,单送氧口且送氧 口管径为 6 mm 时,空调送风方式及送氧流量不同时 所形成的富氧范围大体呈“扁椭圆冶形状,且送氧流 量越大,所形成的富氧范围就越大;相同送氧流量 下,异侧上送下回比同侧上送下回所形成的富氧范 围要大. 由图 10( b)可以看出,单送氧口且送氧口 管径为 10 mm 时,空调送风方式及送氧流量不同时 所形成的富氧范围大体呈“椭圆冶形状;且送氧流量 越大,所形成的富氧范围就越大;在相同流量下,异 侧上送下回与同侧上送下回所形成的富氧范围基本 相同,这说明当送氧口管径为 10 mm 时,送回风方式 的变化对室内的富氧范围影响并不大. 这是因为送 氧口管径较小时,出氧口的出氧流速较大,并在空调 异侧上送下回的送风方式下迅速扩散,氧气扩散的 范围较大,使得异侧上送下回时的富氧区域最大;当 ·1068·
王浩宇等：缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 ·1069· 2.0 2.0 e-同侧上送下回，送氧流量1.0m3.h e-同侧上送下回，送氧流量1.0m.h e-同侧上送下回，送氧流量1.5m3h- 0-同侧上送下回.送氧流量1.5m3.h- 人S a同侧上送下回，送氧流量2.0m3.h- 4同侧上送下回.送氧流量2.0m.h -异侧上送下回，送氧流量1.0m3·h -异侧上送下回，送氧流量1.0m.h1 -异侧上送下回，送氧流量1.5m3.h 合-异侧上送下回.送氧流量152.h e-异侧上送下回，送氧流量2.0m3.h e-异侧上送下回，送氧流量2.0㎡3.h1 0 感1.0 05 0.5 (b) 0 2 5 6 0 2 3 4 5 6 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离m 图9空调工况下(V=0.85m·s1)双送氧口竖直送氧且送氧流量及送风方式不同时的轴向最大速度分布.(a)送氧口管径6mm:(b) 送氧口管径10mm Fig.9 Axial velocity distribution of the double vertical forward-facing oxygen-feeding ports in air-conditioning conditions(V=0.85ms)with dif- ferent oxygen flow rates and different air supply methods:(a)outlet diameter 6 mm;(b)outlet diameter 10 mm 0.8m 0.8 o-同侧上送下回.1.0m3.h (b) o-同侧上送下回，1.0m3.h 0.6 0-同侧上送下回.1.5m3,h-1 0.6 o-同侧上送下回，15m3,h1 0.4 △同侧上送下回，2.0m3,hl 04 -△-同侧上送下回，2.0m3.h 0.2 0.2 -0.2 0.2 -0.4 7异侧上送下回，1.0m3h -0.4 v-异侧上送下回，1.0m3.h ◇-异侧上送下回，1.5m3·h1 ◆-异侧上送下回，1.5m3.h -0.6 o-异侧上送下回，2.0m3.h1 0.6 o-异侧上送下回，2.0m3.h1 0.80 3 4 5 080 2 3 4 56 7 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离/m 图10空调工况下(Vm=0.85ms')单送氧口的送氧流量及送风方式不同时的富氧范围.(a)送氧口管径6mm;(b)送氧口管径10mm Fig.10 Oxygen-enriched region with different oxygen flow rates and different air supply methods in air-conditioning conditions(V=0.85ms): (a)outlet diameter 6 mm:(b)outlet diameter 10 mm 送氧口管径变大时，出氧口的出氧流速变小，此时高 由图11(b)可以看出，双送氧口竖直送氧且送氧口 纯度氧气随空调送风一起扩散至房间内部，使得不 管径为10mm时，空调送风方式及送氧流量不同时 同的空调送风方式对室内富氧范围的影响很小.因 所形成的富氧范围大体呈两个“斜椭圆”形状，且两 此当管径为6mm时，宜采用异侧上进下出的空调送 个送氧口形成的富氧区域向轴线处的倾斜角度变 风方式，所形成的富氧区域较大；当管径为10mm 大，但此时不同的空调送风方式对形成的富氧区域 时，同侧上送下回与异侧上进下回对室内富氧区域 影响有限. 影响有限 当t=120s时空调工况下且送氧流量为1m3. 图11为t=120s时空调工况下(Vn=0.85m· h1时，不同的送氧管径、不同的送氧口个数及不同 s1)双送氧口竖直送氧的送氧流量及空调送风方式 空调送风方式下所得到的富氧面积，如表5所示. 不同时的富氧范围.由图11(a)可以看出，双送氧 由表5可以看出，单送氧口时，管径为6mm且异侧 口竖直送氧且送氧口管径为6mm时，空调送风方式 上送下回得到的富氧面积最大，管径为10mm且异 及送氧流量不同时所形成的富氧范围大体呈两个 侧上送下回的富氧面积次之，管径为6mm且同侧上 “斜扁椭圆”形状，且送氧流量越大，所形成的富氧 送下回的富氧面积再次之，最差的是管径为10mm 范围就越大；相同送氧流量下，异侧上送下回比同侧 且同侧上送下回的富氧面积：双送氧口时，不同管 上送下回所形成的富氧范围要大，且两送氧口形成 径、不同空调送风方式所形成的富氧面积大小依次 的富氧区域在空调送风风速的影响下向轴线倾斜， 是：管径为6mm且异侧上送下回>管径为10mm且
王浩宇等: 缺氧空调房间富氧特性及富氧效果的模拟研究 图 9 空调工况下(Vin = 0郾 85 m·s - 1 )双送氧口竖直送氧且送氧流量及送风方式不同时的轴向最大速度分布. ( a) 送氧口管径 6 mm; ( b) 送氧口管径 10 mm Fig. 9 Axial velocity distribution of the double vertical forward鄄facing oxygen鄄feeding ports in air鄄conditioning conditions(Vin = 0郾 85 m·s - 1 )with dif鄄 ferent oxygen flow rates and different air supply methods:(a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet diameter 10 mm 图 10 空调工况下(Vin = 0郾 85 m·s - 1 )单送氧口的送氧流量及送风方式不同时的富氧范围. (a) 送氧口管径 6 mm; (b) 送氧口管径 10 mm Fig. 10 Oxygen鄄enriched region with different oxygen flow rates and different air supply methods in air鄄conditioning conditions(Vin = 0郾 85 m·s - 1 ): (a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet diameter 10 mm 送氧口管径变大时,出氧口的出氧流速变小,此时高 纯度氧气随空调送风一起扩散至房间内部,使得不 同的空调送风方式对室内富氧范围的影响很小. 因 此当管径为 6 mm 时,宜采用异侧上进下出的空调送 风方式,所形成的富氧区域较大;当管径为 10 mm 时,同侧上送下回与异侧上进下回对室内富氧区域 影响有限. 图 11 为 t = 120 s 时空调工况下(Vin = 0郾 85 m· s - 1 )双送氧口竖直送氧的送氧流量及空调送风方式 不同时的富氧范围. 由图 11( a)可以看出,双送氧 口竖直送氧且送氧口管径为 6 mm 时,空调送风方式 及送氧流量不同时所形成的富氧范围大体呈两个 “斜扁椭圆冶形状,且送氧流量越大,所形成的富氧 范围就越大;相同送氧流量下,异侧上送下回比同侧 上送下回所形成的富氧范围要大,且两送氧口形成 的富氧区域在空调送风风速的影响下向轴线倾斜, 由图 11(b)可以看出,双送氧口竖直送氧且送氧口 管径为 10 mm 时,空调送风方式及送氧流量不同时 所形成的富氧范围大体呈两个“斜椭圆冶形状,且两 个送氧口形成的富氧区域向轴线处的倾斜角度变 大,但此时不同的空调送风方式对形成的富氧区域 影响有限. 当 t = 120 s 时空调工况下且送氧流量为 1 m 3· h - 1时,不同的送氧管径、不同的送氧口个数及不同 空调送风方式下所得到的富氧面积,如表 5 所示. 由表 5 可以看出,单送氧口时,管径为 6 mm 且异侧 上送下回得到的富氧面积最大,管径为 10 mm 且异 侧上送下回的富氧面积次之,管径为 6 mm 且同侧上 送下回的富氧面积再次之,最差的是管径为 10 mm 且同侧上送下回的富氧面积;双送氧口时,不同管 径、不同空调送风方式所形成的富氧面积大小依次 是:管径为 6 mm 且异侧上送下回 > 管径为 10 mm 且 ·1069·
·1070· 工程科学学报，第41卷，第8期 0.5 0.5 0.4 0.4 03 0.3 0.2 0.2 0.i -同侧上送下回，Im3.h- 0.1 o-同侧上送下回，1m㎡3.h o-同侧上送下回.2m3.h- 一异侧上送下回，1m3,h 0 0-同侧上送下回，2m3.h 异侧上送下回.1m3.h- -0. 异侧上送下回，2m3.h 0.1 ?异侧上送下回，2m3h 0.3 -0.4 0.4 (a (b) -0. 0051.01.52.02.53.03.54.04.55.0 -05005101占20253035404550 距送氧口轴向距离m 距送氧口轴向距离/m 图11空调工况下(V。=0.85ms)双送氧口的送氧流量及送风方式不同时的富氧范围.(a)送氧口管径6mm:(b)送氧口管径10mm Fig.11 Oxygen-enriched region with different oxygen flow rates and different air supply methods in air-conditioning conditions(V=0.85ms): (a)outlet diameter 6 mm;(b)outlet diameter 10 mm 表5空调工况下的送氧方式及送氧口流量不同时形成的富氧面积 Table 5 Oxygen-enriched area with different oxygen-feeding modes and oxygen flow rates in air-conditioning conditions 序号总送氧流量/(m3.h1)单个送氧口流量/(m3.h1)送氧口管径/mm送氧口个数及送氧方式空调送风方式富氧面积/m2 1 1 10 1(经直) 同侧上送下回 0.66 2 10 1(竖直) 异侧上送下回 1.19 3 1 1 6 1(经直) 同侧上送下回 0.39 4 1 6 1(酸直) 异侧上送下回 1.16 5 1 0.5 10 2(整直) 同侧上送下回 0.22 6 0.5 四 2(整直) 异侧上送下回 0.79 7 0.5 6 2(经直) 同侧上送下回 0.64 8 0.5 6 2(整直) 异侧上送下回 1.57 异侧上送下回>管径为6mm且同侧上送下回>管 被回风一起带走，导致密闭建筑房间内部富氧区域 径为l0mm且同侧上送下回.因此在空调工况下， 减小.因此在保证室内空气品质的前提下，应尽可 宜采用管径为6mm的双送氧口进行送氧，且空调送 能的降低室内最低换气次数.由图12还可以看出， 风方式宜采用异侧上送下回，所形成的富氧面积 送氧流量越大，所形成的富氧范围也越大：但送氧流 较大. 量越大，送氧口的气体出流速度也越大，因此房间内 由表5分析可得，总送氧流量为1m3h-时，管 部气体流动速度较大，人体感受欠佳 径为6mm的单送氧口且异侧上送下回的气流组织 当t=120s时空调工况下，管径为6mm的单送 形式所得到的富氧面积为0.54，为最大值.因此空 氧口且采用异侧上送下回的气流组织形式，送氧流 调工况下，宜采用送氧口管径为6mm的单送氧口且 量与空调送风风速不同时所得到的富氧面积，如表 异侧上送下回的气流组织形式.因此在下文的分析 6所示.由表6可以看出，送氧流量相同时，送风风 中，将重点分析送氧管径为6mm的单送氧口、气流 速为0.85m·s-1所形成的富氧面积比送风风速为1 组织形式为异侧上送下回的情况. m·s1所形成的富氧面积大约20%；当送风风速均 2.3.2空调工况下送风风速不同时形成的富氧范 为0.85ms1,送氧流量为1.5m3.h-1所形成的富 围及富氧面积 氧面积约为0.96m2,该富氧面积与单人次活动范 图12给出了t=120s时的空调工况下，管径为 围面积相当，且该送氧流量下的送氧口出流风速 6mm的单送氧口且采用异侧上送下回的气流组织 较为适宜.因此空调送风风速为0.85m·s1、送氧 形式，送氧流量与空调送风风速不同时所形成的富 流量为1.5m3.h1可作为空调工况下富氧时单人 氧范围.由图12可以看出，富氧区域随着空调送风 次的基础供氧量，以该指标为基础，可为空调房间 风速的增大而减小，这是由于空调送风风速越大，室 缺氧环境下的人员数量配置富氧设备容量及布置 内每小时的换气次数就越大，部分较高浓度的纯氧 送氧口位置
工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 图 11 空调工况下(Vin = 0郾 85 m·s - 1 )双送氧口的送氧流量及送风方式不同时的富氧范围. (a) 送氧口管径 6 mm; (b) 送氧口管径 10 mm Fig. 11 Oxygen鄄enriched region with different oxygen flow rates and different air supply methods in air鄄conditioning conditions(Vin = 0郾 85 m·s - 1 ): (a) outlet diameter 6 mm; (b) outlet diameter 10 mm 表 5 空调工况下的送氧方式及送氧口流量不同时形成的富氧面积 Table 5 Oxygen鄄enriched area with different oxygen鄄feeding modes and oxygen flow rates in air鄄conditioning conditions 序号 总送氧流量/ (m 3·h - 1 ) 单个送氧口流量/ (m 3·h - 1 ) 送氧口管径/ mm 送氧口个数及送氧方式 空调送风方式 富氧面积/ m 2 1 1 1 10 1(竖直) 同侧上送下回 0郾 66 2 1 1 10 1(竖直) 异侧上送下回 1郾 19 3 1 1 6 1(竖直) 同侧上送下回 0郾 39 4 1 1 6 1(竖直) 异侧上送下回 1郾 16 5 1 0郾 5 10 2(竖直) 同侧上送下回 0郾 22 6 1 0郾 5 10 2(竖直) 异侧上送下回 0郾 79 7 1 0郾 5 6 2(竖直) 同侧上送下回 0郾 64 8 1 0郾 5 6 2(竖直) 异侧上送下回 1郾 57 异侧上送下回 > 管径为 6 mm 且同侧上送下回 > 管 径为 10 mm 且同侧上送下回. 因此在空调工况下, 宜采用管径为 6 mm 的双送氧口进行送氧,且空调送 风方式宜采用异侧上送下回,所形成的富氧面积 较大. 由表 5 分析可得,总送氧流量为 1 m 3·h - 1时,管 径为 6 mm 的单送氧口且异侧上送下回的气流组织 形式所得到的富氧面积为 0郾 54,为最大值. 因此空 调工况下,宜采用送氧口管径为 6 mm 的单送氧口且 异侧上送下回的气流组织形式. 因此在下文的分析 中,将重点分析送氧管径为 6 mm 的单送氧口、气流 组织形式为异侧上送下回的情况. 2郾 3郾 2 空调工况下送风风速不同时形成的富氧范 围及富氧面积 图 12 给出了 t = 120 s 时的空调工况下,管径为 6 mm 的单送氧口且采用异侧上送下回的气流组织 形式,送氧流量与空调送风风速不同时所形成的富 氧范围. 由图 12 可以看出,富氧区域随着空调送风 风速的增大而减小,这是由于空调送风风速越大,室 内每小时的换气次数就越大,部分较高浓度的纯氧 被回风一起带走,导致密闭建筑房间内部富氧区域 减小. 因此在保证室内空气品质的前提下,应尽可 能的降低室内最低换气次数. 由图 12 还可以看出, 送氧流量越大,所形成的富氧范围也越大;但送氧流 量越大,送氧口的气体出流速度也越大,因此房间内 部气体流动速度较大,人体感受欠佳. 当 t = 120 s 时空调工况下,管径为 6 mm 的单送 氧口且采用异侧上送下回的气流组织形式,送氧流 量与空调送风风速不同时所得到的富氧面积,如表 6 所示. 由表 6 可以看出,送氧流量相同时,送风风 速为 0郾 85 m·s - 1所形成的富氧面积比送风风速为 1 m·s - 1所形成的富氧面积大约 20% ;当送风风速均 为 0郾 85 m·s - 1 ,送氧流量为 1郾 5 m 3·h - 1所形成的富 氧面积约为 0郾 96 m 2 ,该富氧面积与单人次活动范 围面积相当,且该送氧流量下的送氧口出流风速 较为适宜. 因此空调送风风速为 0郾 85 m·s - 1 、送氧 流量为 1郾 5 m 3·h - 1可作为空调工况下富氧时单人 次的基础供氧量,以该指标为基础,可为空调房间 缺氧环境下的人员数量配置富氧设备容量及布置 送氧口位置. ·1070·
