高原建筑环境中氧热耦合射流（oxygenic-thermal coupled jet）的特性研究

作者与机构
本研究由西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室的王旭明（Xuming Wang）、刘艳峰（Yanfeng Liu，通讯作者）、宋聪（Cong Song）及高龙翔（Longxiang Gao）合作完成，发表于2022年12月的《Building and Environment》期刊（Volume 228, 109897）。

学术背景
青藏高原常年低温、低压且缺氧，室内热环境与氧环境的不足严重影响人员健康与工作效率。传统供氧（如鼻导管、面罩）和供暖方式存在局限性，例如供氧覆盖率低、热响应慢等。本研究提出一种新型氧热耦合射流方法，通过结合温度差（temperature difference）与浓度差（concentration difference）的双驱动势能，优化高原建筑室内环境。研究基于流体力学理论，分析耦合射流的扩散规律，旨在为高原建筑的设计提供理论依据。

研究方法与流程
1. 理论模型构建
- 基于自由湍流理论（free turbulence theory）和Boussinesq近似（Boussinesq approximation），建立了氧热耦合射流的数学模型。
- 推导了热浮力（thermal buoyancy）与浓度差浮力（concentration difference buoyancy）的联合作用公式（式9），并提出了两者平衡时的临界条件（式10）。

1. 数值模拟与验证

   • 使用ANSYS Fluent 18.0软件，采用Realizable k-ε湍流模型（Realizable k-ε turbulence model）模拟射流轨迹、温度场及氧浓度场。
     
   • 物理模型为5.0 m × 3.6 m × 3.0 m的房间，圆形送风口直径0.1 m，位于高度1.5 m处。
     
   • 通过网格独立性验证（grid independence verification）和时间步长验证（time step independence verification），最终选择238万网格和0.5 s时间步长。
     

2. 高原实验验证

   • 在拉萨（海拔3650 m，气压65.2 kPa）搭建实验舱（2.6 m × 2.0 m × 2.0 m），监测射流轴向温度与氧浓度。
     
   • 实验与模拟数据的平均相对误差小于2%，验证了数值模型的准确性。
     

主要结果
1. 射流相互作用效应
- 单一热射流（thermal jet）因热浮力向上偏转（x=3.0 m时偏转1.0 m），单一氧射流（oxygen jet）因浓度浮力向下偏转（偏转-0.9 m），而耦合射流偏转最小（仅0.1 m），水平扩散范围更广。

1. 温度对射流的影响

   • 温度每升高3 K–9 K，射流轨迹抬升0.6 m–2.2 m。当热浮力与浓度浮力平衡时，扩散区域形状接近对称；不平衡时，扩散区向浮力较大的一侧偏移（如温度297 K时向上偏移显著）。
     

2. 氧浓度对射流的影响

   • 氧浓度增加20%–60%时，射流沉降1.3 m–2.6 m。浓度浮力增大导致扩散区向下偏移，且氧扩散面积显著增加。
     

3. 流量效应

   • 流量加倍时，氧扩散面积和热扩散面积最大分别增加1.9 m²和1.6 m²。送风口直径越大，射流扰动越强，扩散速率越快。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统分析了高原低压环境下氧热耦合射流的流体力学特性，揭示了双浮力驱动下的射流扩散规律。
- 提出的临界平衡条件（式10）为优化射流参数提供了理论依据。

1. 应用价值
   
   • 为高原建筑的个性化氧热环境设计（如睡眠区域局部供氧、全空间供暖）提供了技术支撑。
     
   • 通过调节射流温度、氧浓度和流速，可精准控制扩散范围，提升人员舒适度与能源效率。
     

研究亮点
1. 创新性方法：结合数值模拟与高原实验，验证了Realizable k-ε模型在低压射流模拟中的适用性。
2. 多参数协同分析：首次量化了温度、氧浓度和流量对射流轨迹及扩散面积的交互影响。
3. 工程指导意义：研究结果可直接应用于青藏铁路列车、高海拔密闭建筑等实际场景。

其他发现
- 射流稳定区（jet stable region）与变形区（jet deformed region）的划分，为后续研究射流分阶段调控提供了新思路。
- 未来需进一步研究室内障碍物、人员耗氧量等因素对射流的影响。