1．引言

良好舒适的室内环境可以使人感到精神愉悦，提高工作效率。传统的空调送风方式会使人有不适的吹风感，在长时间作用下让人感到单调、不舒适。长期处于室内的空调送风环境下，会使人体的生理机能发生退化，导致人体调节机能衰退和抵抗力下降，产生不适的吹风感和各种病症。在中性－微热环境下，与机械送风相比人们更乐于接受自然风，自然风令人感觉更加舒适。在自然通风条件下，人们觉得舒适的空气温度通常比空调设定温度要高3-5℃。而人们对自然通风方式却比较偏爱，即使在环境有点热的情况下依然倾向于选择自然通风，而不是机械送风。

目前的研究结果表明，自然风与机械风在紊动特性上的差别是影响人体热感觉的重要影响因素。日本的研究者们在1982年、1997年[1,2]，发现自然风的风速脉动特征具有1/f紊动特性（1/f fluctuations），认为自然风功率谱密度分布符合1/f规律。从人们发现自然风具有1/f紊动特性开始，就一直在尝试研制出能够产生自然风特征气流的机械设备。日本的学者最开始进行这方面的研究，1988年，日本的安久正紘[4]曾试图通过控制电风扇的转速变化来模拟自然风， 1997年T. Hara等[2]也尝试用微机产生的混沌的信号去控制风机产生1/f紊动风，但效果并不明显。2000年，清华大学贾庆贤[5]通过自然风和机械风产生的不同机理分析，提出用转动盘控制出口流量分配来产生不同风速频谱的方法，开发出送风末端装置。

对自然风与机械风进行研究的目的，一方面是为了明确其不同之处，以便进行合理的评判，另一方面也是为了能对房间气流的紊动特性进行干预控制，研究开发新型的接近于自然风的送风形式，使得其既有利于满足人们的舒适性要求，又能对建筑节能发挥相应的作用。如果能利用机械送风装置产生具有自然风特征的气流，不仅可以提高人们对舒适性空调的要求，而且可以提高空调的设定温度，降低建筑能耗。

2000年，清华大学的朱颖秋[3]对自然风和机械风进行了多个样本的测量和频谱分析，给出了典型自然风和机械风功率谱密度图，并提出了以功率谱密度函数等参数作为自然风与机械风的差别的判据。朱颖秋首次明确从紊动特性的角度提出了自然风与机械风的区别，但是自然风和机械风之间有严格的界定或不可逾越的樊篱吗？同样是机械风，对于不同的风源产生的气流，其紊动特性又有何区别？自然风与机械风之间有无相互转移可能？这些问题都有待于进一步的研究。

本文通过对轴流风机和离心风机不同送风形式产生气流的频谱特性进行了测量分析，分析了不同风源对机械送风气流频谱特性的影响，以揭示机械风在室内环境下气流频谱特性的差别，改进机械送风的方式。

2．实验描述

2.1 测量设备

风速的测量采用热线微风仪。热线的直径为20μm，最大响应频率为16.7Hz，热线微风仪的精度为：5%V±0.02m/s。实验中的采样频率设置为10Hz，即每秒中记录10次风速数据，满足申农采样定理。

2.2 实验工况

本实验对多种轴流风机和离心风机的送风气流紊动特性进行了测量，所有实验均在大空间的密闭房间中进行。测点布置在送风气流的射流区中，测头与风口的间距为1.0m～1.4m。

3．分析方法

目前对气流紊动特性的研究方法，主要包括频谱分析、概率分析、湍流统计分析、相关分析、以及混沌与分形分析等。本文对机械风的紊动特性分析，主要从频谱分析入手，重点研究气流湍流度和功率谱密度函数的差别。

3.1 湍流度

湍流度表示流动的紊乱程度，其定义式为：

　　　　 （1）

其中为平均风速，为脉动风速

3.2 功率谱密度函数

湍流可以视为由尺寸越来越小的涡叠加而成的。频谱分析法可以给出湍流结构中不同涡旋所对应的频率和波动能量的大小，将气流能量在一定的频率范围内的分布表示出来，比较全面、准确地说明流场特性。功率谱密度函数是最重要的描述随机数据特征的参数，不同的频率f对应的功率谱密度的大小反映了某一周期的涡的强弱。对风速的频谱分析的对象是，其功率谱密度函数可以由下式获得：

　　　　（2）

图1是一组功率谱密度曲线图。对数功率谱密度曲线斜率的负值β（又称功率谱指数），是用来分析和衡量气流紊动特性的主要参数。β值与E(f) 的关系为E( f ) = 1/f ^b .

4．结果分析和讨论

根据贾庆贤^[5]的研究结果，以0.03Hz为界可以将自然风、机械风气流功率谱曲线分成两个部分，这两部分的曲线的斜率相差很大。因此，本文中比较各个测点风速的功率谱指数时，选定的频率区间是0.03~1Hz。

图2是轴流风机和离心风机在各种工况下，送风气流功率谱指数的比较。图中每一个点是6000个采样点数据的统计分析结果。根据朱颖秋的研究结果^[3]，可以将β值的作为机械风与自然风的判别标准，β值大于1.1为自然风，β值小于1.1为机械风。从图1中可以看出，轴流风机产生的气流，其功率谱指数β值明显大于离心风机，基本上在0.5～1.0之间浮动。而离心风机气流的β值绝大多数在0～0.4之间。按照朱颖秋定义的自然风与机械风的判别标准，轴流风机产生的气流更接近于自然风。

图2 轴流风机与离心风机气流β值的比较

表2中列出了不同风源气流的湍流度平均值和功率谱指数平均值。由表2中的数据可以看出，不同的送风形式气流的紊动特性有较大差别。孔板送风是波动最小的送风方式，其功β值接近于0，湍流度也很小，送风气流平稳。而摆头风扇的紊动特征则是最接近自然风的，湍流度和功率谱指数都是最高的。按照β值可以将风源分为四个档次：

β_孔板送风 < β_{风机盘管下送、侧送} < β_{定向风扇、吊扇} < β_摆头风扇

根据测量结果可以发现，室内机械风气流的频谱特性与送风方式有着紧密的联系。对于不同的驱动源，离心风机送风的功率谱指数普遍小于轴流风机。而对离心风机而言，在出口增加孔板后，将导致送风更为平稳，气流的湍流度和β值进一步减小，气流的紊动特性更接近于白噪声。对轴流风机而言，如果将定向送风改为摆头送风，不仅增大了气流脉动的强度，而且导致了功率谱指数的上升，更接近于自然风的频谱特征。

5．结论

本文对不同风源的机械送风气流频谱特性进行了测量和分析，结果表明不同机械风风源产生的气流，频谱特性有很大差异，离心风机与轴流风机相比，轴流风机送风气流的频谱特性更接近于室外自然风。离心风机在送风过中，气流经风道向外送出，由于气流受到室内周围空气的影响较小，具有典型的机械风特征，气流的能量较均匀的分布在频率域上，功率谱指数被限制在0.4以下。而对于轴流风机，在风机转动的过程中，扇叶不断与周围空气发生作用，送风气流不断卷吸周围的空气，速度迅速衰减，高频部分能量的衰减幅度大于低频部分能量的衰减，导致气流三维涡旋运动加强，功率谱指数上升，β值可以达到1.0甚至更高，频谱特征逐渐向自然风过渡。

参考文献

(1) 根子哲明，安久正紘 ，“自然微風のゅらぎにぉける1/f型スペクトルとそのモデル”，第29回応物春季予稿集，2T-X-5，1982

(2) T. Hara, M. Shimizu, K. Iguchzi & G. Odagiri, Chaostic Fluctuation in Natural Wind and Its Application to Thermal Amenty·Nonlinear Analysis, Theory, Mechods & Application× 1997·30(5)·2803-2813

(3) 朱颖秋，自然风与机械风的紊动特性研究，清华大学硕士学位论文，2000年5月

(4) K. Oguchi, H. Adachi, T. Kusakabe, M. Agu, Digital system for 1/f fluctuation-speed control of a small-fan motor, Proceedings of IEEE, Vol.76, Issue: 3, March 1988, pp299-300

(5) 贾庆贤，送风末端装置的动态化研究，清华大学博士学位论文，2000年5月