一种人造龙卷风式排风罩实验研究*

张振国，彭 刚，方荣海，张教强

一种人造龙卷风式排风罩实验研究*

张振国，彭 刚，方荣海，张教强

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201)

针对人造龙卷风式排风罩，采用模型试验的手段，对人造龙卷风气流流场的影响因素进行了研究。结果表明:在临界送风量的基础上适度增加送风速度能更有效的控制有害物;人造龙卷风式排风罩的最佳喷射角度为80°;存在一个最佳喷口宽度使新型排风罩效果最佳。

排风罩;旋转射流;有害物控制;人造龙卷风

0 引 言

目前，传统排风罩主要通过单一吸气流动控制有害物，但效果并不明显[1]；由4根送风柱组成的捕尘罩对有害物吸收效率虽有所提升，但由于结构庞大复杂，因此在经济与实用性方面尚有缺陷[2]；另一种吹吸式排风罩，虽然能用较小的排风量达到更好的吸收效果，但射流不稳定，导致此流场容易受异物干扰而使流场混乱、有害物逃逸[3]。进而，需要设计出一种耗能更低、控制力更好的新型排风罩。龙卷风的形成机理为改进新型排风罩提供了新的理论和方法[4]。通过在排气罩吸入口的边缘处添加环形空气供应开口，并且采用环形出口的特定旋转装置，引出具有一定转速的环形气流，在两种气流共同作用下形成一种小型的人造龙卷风[5]。为了研究在人造龙卷风作用下吸气流动的影响因素，本文通过试验来分析人造龙卷气流的流场特性。

1 实验模型和实验系统的建立

1.1 排风罩模型设计与制作

为了研究人造龙卷风作用下吸气流动影响因素和对流场进行分析，设计了一个直径为=100 mm，注入口的直径为=200 mm，喷嘴的宽度为=8 mm，并且射流的轴向倾斜度为80°的排风罩模型，见图1。在带外夹层的人造龙卷风罩中，气流沿切线方向被引入排气罩内外层之间的夹层中，气流经过外夹层后从喷口射出旋转气流。吸管的另一端连接到排气扇，供气管的另一端送到风扇。通过设置在通风管道的可控阀调节进出流量，并用多参数通风表测量并计算出风速及风量。

1.2 实验系统搭建

在20 m×7 m×5 m的通风实验室里，搭建人造龙卷风式排风罩实验台。实验室内流量稳定，避免了过程中受外界因素干扰。搭建的实验系统由人造龙卷风式排风罩、吸风管、送风管、抽风机与送风机，还有可控阀门组成。在实验中，利用多参数通风表测量了两种排风罩的工作流场，用灭蚊片替代污染源，模拟人造龙卷风下有害物的控制效果。

2 试验结果分析

2.1 送风速度影响

图2 轴线速度衰减图

通过图2能分析出，即使在不同工作条件下，送风速度也会影响吹吸比。随着的增加，轴向吸入速度增加，但是增加趋势逐渐变小。这表明，基于临界空气供应继续增加空气量可以更有效地控制污染物，但有一定范围。当送风量增大到一定值时，再增加也不会对轴向吸入速度产生影响。况且，如果送风量过大，将增加旋转气流的出口速度，对于环形空气供应端口，需要使用功率更大的风机，这将不可避免地产生更多的能量消耗。因此，送风速度不宜过大，在形成人造龙卷风气流基础上适度提高送风速度就能达到理想状态。

2.2 喷射角度影响

为了观察不同送风角度的人造龙卷风式排风罩对有害物控制效果，在相同吹吸风参数和喷口宽度=8 mm的条件下，分别在送风角度为70°和80°的模型进行试验，观察相应模型下污染物的控制效果。试验结果如图4所示。

从图4(a)可以看出，部分烟气仍然扩散到空气中；图4(b)中=80°的排风罩临界送风速度比=70°的小，风幕控制范围也更大。在旋转射流和吸气流共同作用下形成人造龙卷风，灭蚊片产生污染物基本被控制在风幕中并被带走。从两种不同喷射角度的排风罩对有害物的控制效果照片可以看出，=80°为人造龙卷风式排风罩较理想的送风角度。

（a）=0 （b）=0.33

（c）=0.53 （d）=0.71

图3 不同下有害物控制效果

（a）送风角度=70° （b）送风角度=80°

2.3 喷口宽度影响

为了研究喷口宽度对排风罩控制效果的影响，采用=80°的两种排风罩模型，分别是=4 mm和=8 mm，试验结果如图5所示。从图5中能看出，在排风罩相同尺寸和规格下，喷口宽度为8 mm的排风罩能将有害物有效地控制，并且效果上优于喷口宽度为4 mm的排风罩。根据已知的旋转气流数值模拟和实验观察结果，可以得出在实验中规格尺寸的模型最佳喷口宽度为8 mm。根据现有的成果，可以用相似准则，在实际设计中得出适应的最佳喷口宽度。

（a）e=4 mm （b）e=8 mm

3 结 论

通过对人造龙卷风气流流场的影响因素进行实验研究，得出以下主要结论。

（1）基于临界空气供应继续增加空气量可以更有效地控制污染物，但有一定范围。当送风量增大到一定值时，再增加也不会对轴向吸入速度产生影响。并且，如果送风量过大，将增加旋转气流的出口速度，对于环形空气供应端口，需要使用功率更大的风机，这将不可避免地产生更多的能量 消耗。

（2）在其他参数一定的情况下，相比70°的排风罩，=80°的人造龙卷风的控制范围更大，并存在一个喷射角度80°，使排风罩对有害物控制效果最好。

（3）喷口宽度会对人造龙卷风气流流场产生影响，实验中规格尺寸的模型最佳喷口宽度为8 mm。根据现有成果，可以用相似准则在实际设计中，得出适应的最佳喷口宽度。

[1] 王汉青.通风工程[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[2] 梁志勇.龙卷风式捕尘罩的实验与分析[J].工业安全与环保, 1993(3):14-15.

[3] 孙一坚,杨勇健.吹吸式排风罩的二维紊流数值解及特性分析[J]. 暖通空调,1991(1): 11-15.

[4] 张景松.人造龙卷风形成机理[J].煤炭学报,1996,21(4): 403-406.

[5] 张景松,周世宁.人造龙卷风控制抽吸[J].中国矿业大学学报, 1996,25(1):1-5.

[6] 杨 洋,王 怡,李艳斌.射流作用下的吸气流动流场特性[J].西南交通大学学报,2015(2):347-353.

(2019-04-14)

张振国(1998—),男,重庆渝北人,Email:185704 85001@163.com。

SRIP大学生科研创新计划资助项目(TZ8001).