ADPV冷射流对人体微环境的影响研究

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近年来在钢铁冶炼、电子和其他制造业生产过程中,往往伴随着余热余湿及各种污染气体的发生,这使得操作人员处于恶劣的工作环境中,降低了工人的劳动生产率,严重地伤害到工人的身心健康。通常在比较高大的工业建筑中,对于操作岗位固定的情况,个性化送风不但能够降低能耗并且能够有效地控制并改善工人工作区的局部微环境。但是,在之前众多的个性化送风方式研究中,并没有充分的控制整个人体的微环境,只是对人体的某个或某几个部位的微环境进行控制。为了能够将人体微环境有效的改善,本课题小组提出一种新型的个性化送风方式(ADPV方式),在现有的对ADPV方式研究的基础上,本文运用实验和数值模拟的手段,研究了ADPV冷射流对人体微环境的影响,具体地,分别从送风速度、送风温度、热源强度、污染源形式及散发角度等多种因素影响下人体微环境的流场特性。首先,利用实验的手段来分析送风射流和人体羽流共同作用下的流场特性。结果表明,由于人体羽流的存在射流会向远离人体的方向偏转,通过增加送风速度,降低送风温度有利于降低人体热羽流对射流偏转的影响。采取数值模拟的手段分析了影响送风射流偏转和衰减的因素。分析不同人体羽流对射流所产生的浮升力与射流和周围空气温差所产生的浮升力的比值对射流偏转的影响。经过研究表明,在一定的送风速度下,人体羽流对射流所产生的浮升力与射流和周围空气温差所产生的浮升力的比值能反映出人体羽流对射流偏转的影响程度。每个速度下都存在一个这两种浮升力的临界比值(本文将此比值称为临界无关比φ),当两种浮升力的比值大于此临界比值时羽流对射流的偏转作用可以忽略。而此送风速度在从0.3m/s变化到0.6m/s后,临界无关比会随着送风速度的增大而从0.41逐渐减小到0.26。在已忽略人体羽流的情况下,送风速度、送风温度、背景温度这三个因素对射流可以综合为阿基米德数。ADPV冷射流Ar数越大,浮升力相对于惯性力的比重变高,射流的偏转角度变大。其次,分析了强热源对ADPV方式作用下人体微环境的影响。本文以Gr数来表征热源强度,当热源表面的Gr数从107变化到109时,人体前表面对应轴线上的速度无明显变化。当热源表面的格拉晓夫数达到1010时,对应轴线上的速度会由于羽流的卷吸而大幅降低,对应轴线上的温度会大幅升高。送风速度对热源与人体之间的辐射换热基本没有影响,送风速度相比于送风温度对对流换热的影响更大,人体的总换热量在Gr数从109变化到1010时从散热变成大量得热,在热源强度较大(Gr=1010)时降低送风温度能够在一定程度上减小得热。最后,分别对点污染源、面污染源、全室污染三种方式对ADPV方式作用下人体微环境的影响进行分析。对于散发NO的点污染源,NO的扩散范围会随着送风速度的升高而增大,而-30°向人体散发相比于30°、0°时,ADPV方式更能够有效的阻止NO向人体扩散;送风速度较小时,NO的散发角度对呼吸区NO的浓度影响极大。对于散发砷化氢的面污染源,随着污染源与人体距离增大,不仅污染物扩散范围增加,且位于人体前表面的低于容许浓度的范围在逐渐减小,即送风射流的控制效果更加理想。对于散发甲醛的全室污染,当空间中甲醛浓度较小,即1000mg/m3时,提高风速对于增加人体表面浓度低于容许的范围效果明显,即对于改善人体表面空气品质的作用明显。
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