高原地区低气压对室内热空气射流分布的影响研究学术报告

作者及发表信息
本研究由西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院的胡佳乐（Jiale Hu）、王莹莹（Yingying Wang, 通讯作者）、王登甲（Dengjia Wang）和宋杰（Jie Song）合作完成，发表于2022年6月的《Indoor and Built Environment》期刊（DOI: 10.1177/1420326x221108183）。研究得到中国国家自然科学基金（项目号52078408、52178088等）支持。

学术背景
高原地区冬季寒冷干燥，低气压（low atmospheric pressure）和空气稀薄（thin air）导致室内热环境舒适度差。传统热风供暖设计参数基于常压条件，未考虑低气压对热空气射流（hot-air jet）流动特性的影响，造成供暖效率低下。本研究属于建筑环境与能源应用工程领域，旨在通过数值模拟和实验验证，揭示低气压下热空气射流的流速衰减、温度分布及浮升力（buoyancy force）变化规律，为高原建筑供暖设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 理论基础与模型构建
- 空气热物性分析：基于气体状态方程（equation of state），推导低气压下空气密度（air density）、热扩散率（thermal diffusivity）和运动粘度（kinematic viscosity）的修正公式，建立与海拔（0 km至4.5 km，对应压力101.325 kPa至57.708 kPa）的关联。
- 数值模型开发：采用雷诺时均法（Reynolds time-averaged method）耦合RNG k–ε湍流模型（turbulence model），考虑压力对空气热物性的影响。几何模型为3.6 m×3.3 m×2.8 m的房间，送风口和回风口尺寸均为200 mm×200 mm。

1. 实验验证

   • 实验设计：在拉萨（海拔3650 m，气压65.20 kPa）选取实际供暖房间（4.5 m×3.7 m×2.7 m），测量送风温度308.0 K、速度1.20 m/s条件下的室内温度和速度场。使用TR-72UI测温仪（精度±0.2 K）和WFWZF风速仪（精度±0.05 m/s）采集数据。
     
   • 模型验证：通过均方根误差（RMSD）分析，温度与速度模拟值的误差分别为5.7%和9.4%，验证了模型的可靠性。
     

2. 数值模拟

   • 水平与垂直射流对比：模拟四种气压（101.325 kPa、84.547 kPa、70.093 kPa、57.708 kPa）下的射流特性。水平射流（horizontal jet）因浮升力作用向上弯曲，垂直射流（vertical jet）的扩散范围受低气压抑制。
     
   • 参数分析：提取轴向速度（axial velocity）和温度梯度（temperature gradient）数据，量化低气压对射流衰减和热分层的影响。
     

主要结果
1. 射流轨迹与速度衰减
- 水平射流在低气压下弯曲更显著。例如，57.708 kPa时，射流轴线在z=2.1 m处的水平位移（x=2.0 m）比常压条件（x=2.2 m）缩短9.1%。
- 垂直射流速度衰减加速：57.708 kPa时，轴向速度在z=1.0 m处比常压低0.26 m/s（衰减率提升23%）。

1. 温度分布
   
   • 低气压下室内平均温度降低，温度梯度增大。57.708 kPa时，水平射流房间的温度梯度达8.7 K/m（常压为4.0 K/m），垂直射流房间的梯度为5.0 K/m（常压为4.0 K/m）。
     
   • 热分层现象显著：水平射流在高度1.0 m以下的温差达8.7 K，而上部仅1.1 K。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化低气压对热空气射流的影响，揭示了浮升力与动量（momentum）的竞争机制，填补了高原建筑供暖基础研究的空白。
2. 应用价值：提出需针对高原低气压调整送风参数（如提高风速或温度），优化供暖系统设计，提升能源效率与舒适性。

研究亮点
- 方法创新：结合修正的RNG k–ε模型与高原实验数据，建立了适用于低气压的射流模拟方法。
- 发现创新：明确低气压下射流速度衰减更快、温度梯度更大的特性，为高原供暖工程提供了关键参数。

其他有价值内容
研究指出，未来需进一步探讨不同送风温度、速度及多风口布局的影响，以完善高原供暖设计标准。