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作者与发表信息

本研究的主要作者包括Xuming Wang、Yanfeng Liu、Cong Song和Longxiang Gao，他们分别来自西安建筑科技大学的西部绿色建筑国家重点实验室和建筑服务科学与工程学院。该研究发表于《Building and Environment》期刊，于2022年12月8日在线发表，卷号为228，文章编号为109897。

学术背景

本研究的主要科学领域为高海拔建筑室内环境的热力学与流体力学，特别是氧气-热耦合射流（oxygenic-thermal coupled jet）的特性。研究背景基于青藏高原的恶劣气候条件，包括常年低温、低气压和缺氧。这些环境因素对室内人员的舒适度和健康产生了严重影响，因此改善高海拔建筑的室内氧气和热环境成为迫切需求。研究的主要目标是通过数值模拟和实验验证，分析氧气-热耦合射流的特性及其在室内环境中的应用，为高海拔建筑的室内环境设计提供理论依据。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 理论分析
   研究首先基于流体力学理论，分析了由浓度差和温度差驱动的双驱动势耦合流体的特性。通过建立数学模型，推导了氧气-热耦合射流的综合浮力公式，并探讨了温度差和浓度差在射流过程中的相互作用。

2. 数值模拟
   研究使用ANSYS Fluent 18.0商业求解器进行数值模拟，采用可实现的k-ε湍流模型（realizable k-ε turbulence model）来模拟氧气-热耦合射流。模拟的物理模型尺寸为5.0 m × 3.6 m × 3.0 m，模拟中考虑了射流温度、氧气浓度和流速等参数的影响。网格生成采用了非结构化网格，并在射流入口和出口附近进行了局部加密。

3. 实验验证
   实验在拉萨的一家酒店进行，搭建了一个2.6 m × 2.0 m × 2.0 m的实验舱。通过监测射流轴线上不同位置的温度和氧气浓度，验证了数值模拟的准确性。实验结果表明，模拟值与实验值的平均相对误差小于2%，证明了数值模型的可靠性。

4. 参数分析
   研究进一步分析了射流温度、氧气浓度和流速对射流轨迹、扩散范围和扩散面积的影响。通过对比单氧气射流、单热射流和氧气-热耦合射流的特性，探讨了双驱动势的相互作用。

主要结果

1. 射流轨迹
   氧气-热耦合射流的轨迹接近于水平方向，其偏转幅度远小于单氧气射流和单热射流。在x = 3.0 m处，单热射流向上偏转1.0 m，单氧气射流向下偏转0.9 m，而氧气-热耦合射流仅偏转0.1 m。

2. 温度与浓度的影响
   当射流温度增加3 K–9 K时，射流轨迹的抬升量为0.6 m–2.2 m；当射流氧气浓度增加20%–60%时，射流轨迹的沉降量为1.3 m–2.6 m。温度差和浓度差的平衡状态下的扩散范围最小。

3. 流速的影响
   射流的扩散范围和扩散面积随流速的增加而增大。当流速加倍时，氧气扩散面积和热扩散面积的最大增加量分别为1.9 m²和1.6 m²。

结论

本研究通过数值模拟和实验验证，揭示了氧气-热耦合射流在高海拔低气压条件下的扩散特性。研究结果表明，氧气-热耦合射流是单氧气射流和单热射流相互作用的结果，其轨迹和扩散范围受温度、氧气浓度和流速的显著影响。研究为高海拔建筑的室内氧气和热环境设计提供了理论依据，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 新颖的研究方法
   研究首次提出了氧气-热耦合射流的概念，并通过数值模拟和实验验证了其在高海拔条件下的扩散特性。

2. 重要的发现
   研究发现，当温度差和浓度差的浮力平衡时，射流的扩散范围最小，这一结果为优化室内环境设计提供了重要参考。

3. 广泛的应用前景
   研究结果可为高海拔建筑的室内氧气供应和热环境改善提供理论支持，特别是在青藏高原等极端气候地区具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

研究还探讨了射流稳定区和变形区的划分，为射流在室内环境中的热质传递提供了新的视角。此外，研究通过对比不同射流参数的扩散特性，为优化射流参数以提高室内环境舒适度提供了重要依据。

本研究在高海拔建筑室内环境领域具有重要的理论和实践意义，为相关领域的研究和设计提供了新的思路和方法。