弥散供氧流动特性及其富氧效果

工程科学学报，第37卷，第10期：1370-1375,2015年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.10:1370-1375,October 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.10.018:http://journals.ustb.edu.cn 弥散供氧流动特性及其富氧效果 刘应书2》，祝显强》，曹永正1》，杨雄四，刘文海” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学治金工业节能减排北京市重点实验室，北京100083 3)江苏吴泰气体设备科技有限公司，丹阳212300 ☒通信作者，E-mail:kindy-yang@163.com 摘要研究了大空间局部圆形出氧口弥散供氧流动特性及其富氧效果.弥散供氧轴向最大速度和氧气轴向最大浓度均随 轴向距离增加而衰减，且在轴向x=0~0.6m范围内具有很大速度梯度和浓度梯度.不同出流速度下弥散形成的富氧区域形 状是相似的，较小管径下富氧区域下游的浓度轮廓更接近“半椭圆”形，弥散范围更大：拟合得到富氧区域外边界扩展半宽度 随轴向距离变化的关系式及富氧面积随出流流量变化的关系式·相同流量的富氧采用双出氧口弥散形成的富氧面积比单出 氧口弥散形成的富氧面积减少约10%：相同流量的官氧以6mm管径弥散形成的富氧面积比8mm管径的富氧面积增加约 10% 关键词供氧：弥散：流动特性：富集 分类号TQ116.14 Flow characteristics and oxygen-enriched effect of oxygen diffusion LIU Ying-shu,ZHU Xian-qiang,CAO Yong-zheng,YANG Xiong,LIU Wen-hai 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory for Energy Saving and Emission Reduction of Metallurgical Industry,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 3)Jiangsu Oxtek Air Equipment Technology Co.Ltd.Danyang 212300,China Corresponding author,E-mail:kindy_yang@163.com ABSTRACT This article reports the flow characteristics and oxygen-enriched effect of round outlet oxygen diffusion at a large space. Experimental results show that the axial maximum velocity and oxygen concentration of oxygen diffusion both decrease with axial distance,and there are large velocity and oxygen concentration gradients within an axial direction range of 0 to 0.6m.The oxygen- enriched regions are similar at different outflow velocities and their concentration profiles are closer to a semi-elliptical form by a smal- ler outlet diameter at the downstream,which contributes to forming a much larger oxygen-enriched region.A relation between the extended half-width of outer boundary enriched area and the axial distance and a relationship between the oxygen-enriched area and the outflow rate are obtained through function fitting.The oxygen-enriched area formed by dual outlet oxygen diffusion approximately decreases 10%than that by single outlet oxygen diffusion with the same outflow rate:the oxygen-enriched area formed by 6 mm- diameter outlet oxygen diffusion increases about 10%compared to 8mm-diameter outlet oxygen diffusion. KEY WORDS oxygen supply:diffusion:flow characteristics:enrichment 氧气是人体新陈代谢过程中的关键物质，维持工适应了这样的空气环境，如果处于一个氧体积分数低 作和生活环境中氧气量，是人体生命健康的第一需 于20.9%的环境中，就会出现不同程度的缺氧症状， 要四.空气中正常的氧体积分数为20.9%，人类已经 称为氧饥饿.人体对短时氧饥饿或长时间氧饥饿都会 收稿日期：201406-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51306017)：北京市自然科学基金资助项目(3144032)

工程科学学报，第 37 卷，第 10 期: 1370--1375，2015 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 10: 1370--1375，October 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 10． 018; http: / /journals． ustb． edu． cn 弥散供氧流动特性及其富氧效果 刘应书1，2) ，祝显强1，3) ，曹永正1，3) ，杨 雄1) ，刘文海1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室，北京 100083 3) 江苏昊泰气体设备科技有限公司，丹阳 212300  通信作者，E-mail: kindy_yang@ 163． com 摘 要 研究了大空间局部圆形出氧口弥散供氧流动特性及其富氧效果． 弥散供氧轴向最大速度和氧气轴向最大浓度均随 轴向距离增加而衰减，且在轴向 x = 0 ～ 0. 6 m 范围内具有很大速度梯度和浓度梯度． 不同出流速度下弥散形成的富氧区域形 状是相似的，较小管径下富氧区域下游的浓度轮廓更接近“半椭圆”形，弥散范围更大; 拟合得到富氧区域外边界扩展半宽度 随轴向距离变化的关系式及富氧面积随出流流量变化的关系式． 相同流量的富氧采用双出氧口弥散形成的富氧面积比单出 氧口弥散形成的富氧面积减少约 10% ; 相同流量的富氧以 6 mm 管径弥散形成的富氧面积比 8 mm 管径的富氧面积增加约 10% ． 关键词 供氧; 弥散; 流动特性; 富集 分类号 TQ116. 14 Flow characteristics and oxygen-enriched effect of oxygen diffusion LIU Ying-shu1，2) ，ZHU Xian-qiang1，3) ，CAO Yong-zheng1，3) ，YANG Xiong1)  ，LIU Wen-hai 1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Key Laboratory for Energy Saving and Emission Ｒeduction of Metallurgical Industry，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Jiangsu Oxtek Air Equipment ＆ Technology Co． Ltd． ，Danyang 212300，China  Corresponding author，E-mail: kindy_yang@ 163． com ABSTＲACT This article reports the flow characteristics and oxygen-enriched effect of round outlet oxygen diffusion at a large space． Experimental results show that the axial maximum velocity and oxygen concentration of oxygen diffusion both decrease with axial distance，and there are large velocity and oxygen concentration gradients within an axial direction range of 0 to 0. 6 m． The oxygen￾enriched regions are similar at different outflow velocities and their concentration profiles are closer to a semi-elliptical form by a smal￾ler outlet diameter at the downstream，which contributes to forming a much larger oxygen-enriched region． A relation between the extended half-width of outer boundary enriched area and the axial distance and a relationship between the oxygen-enriched area and the outflow rate are obtained through function fitting． The oxygen-enriched area formed by dual outlet oxygen diffusion approximately decreases 10% than that by single outlet oxygen diffusion with the same outflow rate; the oxygen-enriched area formed by 6 mm￾diameter outlet oxygen diffusion increases about 10% compared to 8 mm-diameter outlet oxygen diffusion． KEY WOＲDS oxygen supply; diffusion; flow characteristics; enrichment 收稿日期: 2014--06--30 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51306017) ; 北京市自然科学基金资助项目( 3144032) 氧气是人体新陈代谢过程中的关键物质，维持工 作和生活环境中氧气量，是人体生命健康的第一需 要［1］． 空气中正常的氧体积分数为 20. 9% ，人类已经 适应了这样的空气环境，如果处于一个氧体积分数低 于 20. 9% 的环境中，就会出现不同程度的缺氧症状， 称为氧饥饿． 人体对短时氧饥饿或长时间氧饥饿都会

刘应书等：弥散供氧流动特性及其富氧效果 ·1371· 有反应：长时间的缺氧使人体的细胞工作水平下降，导 度：≤3%，分辨率0.01m·s:常州双环热工仪表有 致各种疾病的发生。由于海拔升高、场所封闭、环境污 限公司DK8006F型浮子流量计，测量范围0~2m3· 染等因素形成的缺氧环境一直影响着人们正常生活和 h,准确度为2.5级. 职业安全回 虽然高原地区大气中氧体积分数仍然为20.9%， 8 但随着海拔高度的增加，大气压力降低，空气密度减 小，大气中氧分压降低，就会产生缺氧.人体神经系统 1213141516 对环境缺氧最为敏感：缺氧状态下，学习、记忆、思维等 高级脑功能损害发生最早，损害程度也比较严重▣ 多数国内外学者认为长期生活和工作在高原缺氧 1> 18 地区的人认知功能就会有比较明显损害，如感知困难、 记忆保持性差以及较差的认知运动完成性. 1一变压吸附制氧机：2一氧化钻氧浓度检测仪：3一缓冲罐：4,5， 为了减轻高海拔地区环境缺氧给人体的损害， 7,8一球阀：6一浮子流量计：9一圆形出氧口：10一固定支架：11一 细铁丝网（直径约为0.4mm):12,13,14,15,16一氧浓度传感器： 提高人体机能工作能力，人们常采用服用抗缺氧药 17一数据采集卡：18一上位计算机 物、吸氧等方式以减轻缺氧反应，其中吸氧是最有效 图1实验过程流程图 的.青藏铁路风火山隧道施工期间，采用隧道弥散供 Fig.1 Flow chart of the experimental process 氧和氧吧车供氧，使工人平均劳动效率提高3倍以 上，隧道工期提前10个月完成.为防控职工急慢 实验开始时，启动变压吸附制氧机1，待制氧机工 性高原病，果洛供电公司在职工倒班房采用供氧管 作稳定后，将富氧气体接入到缓冲罐3，打开球阀5，由 道和出氧口布设到每个房间的弥散供氧，对降低高 氧化锆氧浓度检测仪2可以测得缓冲罐3中氧浓度， 原缺氧反应，减少高原疾病发生具有重要作用 待缓冲罐3中氧气浓度稳定，之后打开球阀4和7.由 国内外研究均表明2a,缺氧地区建立富氧室吸氧 浮子流量计6测得弥散供氧的出流流量，调节球阀5 使出氧流量至设定值，之后打开球阀8，进行实验；由 可有效改善缺氧症状，为缺氧环境中补氧增氧，已成 固定在固定支架横向细铁丝网上的氧浓度传感器探测 为近年来高原缺氧防护发展的趋势.缺氧环境补氧 的方式有多种，如增氧通风闭、弥散供氧和个体 氧气浓度，通过移动该固定支架及氧浓度传感器在固 定支架上距出氧口轴线径向距离，即可测得弥散区域 背负式供氧：而弥散供氧由于设备紧凑、不束缚人员 活动范围等优点网，日益成为缺氧环境供氧的主要 内不同轴向及径向位置处氧气浓度：由数字风速仪测 方式.然而，有关指导供氧设备布置和浓度监控设备 得弥散区域内不同位置处的速度 安装的弥散供氧流场特性及富氧效果相关研究还欠 实验在北京地区某地下实验室进行，选择出氧口 管径为8mm和6mm,作为大空间局部弥散供氧出氧 深入，本文实验研究了圆形出氧口弥散供氧流动特 口基础管径，布置多个相同管径出氧口即可满足多人 性及其富氧效果，以期为缺氧环境弥散供氧设备布 置、安装、检测设备设计安装以及富氧安全标准制定 供氧需求.研究出流流量为1.5m3h和1.2m3h1 提供参考 时，分别以单出氧口和双出氧口弥散供氧实验，总共包 括8组实验，每组实验的内容及条件如表1所示 1 实验部分 表1实验条件及内容 实验装置包括变压吸附制氧机、缓冲罐、氧化锆 Table 1 Experimental conditions and contents 氧浓度检测仪、浮子流量计、氧浓度传感器、设置有 出氧体积 出氧口 出流流量/ 出流速度/ 序号 细铁丝网的固定支架、数据采集卡、上位计算机、数 分数1% 管径/mm (m3h1) (ms1) 字风速仪等组成.实验流程如图1所示.变压吸附 90 1.5 8.29 制氧机产氧体积分数为90%±3%.测量部分所用 90 1.2 6.63 的仪器为上海可贵固态离子导体公司Z0H01T型氧 3 90 8 0.75 4.14 化锆氧浓度检测仪，测量范围为0.1%~100%，测量 4 90 0.6 3.32 精度±2%S;北京阿尔泰科技有限公司USB5936 90 6 1.5 14.74 型数据采集卡：英国CTY公司MOX2氧浓度传感 90 6 1.2 11.79 器，量程范围为0~100%，响应时间<12s,分辨率为 90 6 0.75 7.37 100PaO2:北京远大仪器仪表厂DQF6型数字风速 90 6 0.6 5.89 仪，量程范围为0~30ms,反应时间≤3s,测量精

刘应书等: 弥散供氧流动特性及其富氧效果 有反应; 长时间的缺氧使人体的细胞工作水平下降，导 致各种疾病的发生． 由于海拔升高、场所封闭、环境污 染等因素形成的缺氧环境一直影响着人们正常生活和 职业安全［2］． 虽然高原地区大气中氧体积分数仍然为 20. 9% ， 但随着海拔高度的增加，大气压力降低，空气密度减 小，大气中氧分压降低，就会产生缺氧． 人体神经系统 对环境缺氧最为敏感; 缺氧状态下，学习、记忆、思维等 高级脑功能损害发生最早，损害程度也比较严重［3］． 多数国内外学者［4--9］认为长期生活和工作在高原缺氧 地区的人认知功能就会有比较明显损害，如感知困难、 记忆保持性差以及较差的认知运动完成性． 为了减轻高海拔地区环境缺氧给 人 体 的 损 害， 提高人体机能工作能力，人们常采用服用抗缺氧药 物、吸氧等方式以减轻缺氧反应，其中吸氧是最有效 的． 青藏铁路风火山隧道施工期间，采用隧道弥散供 氧和氧吧车供氧，使工人平均劳动效率提高 3 倍以 上，隧道工期提前 10 个月完成［10］． 为防控职工急慢 性高原病，果洛供电公司在职工倒班房采用供氧管 道和出氧口布设到每个房间的弥散供氧，对降低高 原缺氧反 应，减 少 高 原 疾 病 发 生 具 有 重 要 作 用［11］． 国内外研究均表明［12--16］，缺氧地区建立富氧室吸氧 可有效改善缺氧症状，为缺氧环境中补氧增氧，已成 为近年来高原缺氧防护发展的趋势． 缺氧环境补氧 的方式有多种，如增氧通风［17］、弥散供氧［18］和个体 背负式供氧; 而弥散供氧由于设备紧凑、不束缚人员 活动范围等优点［19］，日益成为缺氧环境供氧的主要 方式． 然而，有关指导供氧设备布置和浓度监控设备 安装的弥散供氧流场特性及富氧效果相关研究还欠 深入，本文实验研究了圆形出氧口弥散供氧流动特 性及其富氧效果，以期为缺氧环境弥散供氧设备布 置、安装、检测设备设计安装以及富氧安全标准制定 提供参考． 1 实验部分 实验装置包括变压吸附制氧机、缓冲罐、氧化锆 氧浓度检测仪、浮子流量计、氧浓度传感器、设置有 细铁丝网的固定支架、数据采集卡、上位计算机、数 字风速仪等组成． 实验流程如图 1 所示． 变压吸附 制氧机产氧体积分数为 90% ± 3% ． 测量部分所用 的仪器为上海可贵固态离子导体公司 ZO-101T 型氧 化锆氧浓度检测仪，测量范围为 0. 1% ～ 100% ，测量 精度 ± 2% FS; 北 京 阿 尔 泰 科 技 有 限 公 司 USB5936 型数据采集卡; 英国 CITY 公司 MOX-2 氧浓度传感 器，量程范围为 0 ～ 100% ，响应时间 ＜ 12 s，分辨率为 100 Pa O2 ; 北京远大仪器仪表厂 DQF-6 型数字风速 仪，量程范围为0 ～ 30 m·s － 1 ，反应时间≤3 s，测量精 度: ≤3% ，分辨率 0. 01 m·s － 1 ; 常州双环热工仪表有 限公司 DK800-6F 型浮子流量计，测量范围 0 ～ 2 m3 · h － 1 ，准确度为 2. 5 级． 1—变压吸附制氧机; 2—氧化锆氧浓度检测仪; 3—缓冲罐; 4，5， 7，8—球阀; 6—浮子流量计; 9—圆形出氧口; 10—固定支架; 11— 细铁丝网( 直径约为 0. 4 mm) ; 12，13，14，15，16—氧浓度传感器; 17—数据采集卡; 18—上位计算机 图 1 实验过程流程图 Fig． 1 Flow chart of the experimental process 实验开始时，启动变压吸附制氧机 1，待制氧机工 作稳定后，将富氧气体接入到缓冲罐 3，打开球阀 5，由 氧化锆氧浓度检测仪 2 可以测得缓冲罐 3 中氧浓度， 待缓冲罐 3 中氧气浓度稳定，之后打开球阀 4 和 7． 由 浮子流量计 6 测得弥散供氧的出流流量，调节球阀 5 使出氧流量至设定值，之后打开球阀 8，进行实验; 由 固定在固定支架横向细铁丝网上的氧浓度传感器探测 氧气浓度，通过移动该固定支架及氧浓度传感器在固 定支架上距出氧口轴线径向距离，即可测得弥散区域 内不同轴向及径向位置处氧气浓度; 由数字风速仪测 得弥散区域内不同位置处的速度． 实验在北京地区某地下实验室进行，选择出氧口 管径为 8 mm 和 6 mm，作为大空间局部弥散供氧出氧 口基础管径，布置多个相同管径出氧口即可满足多人 供氧需求． 研究出流流量为 1. 5 m3 ·h － 1 和 1. 2 m3 ·h － 1 时，分别以单出氧口和双出氧口弥散供氧实验，总共包 括 8 组实验，每组实验的内容及条件如表 1 所示． 表 1 实验条件及内容 Table 1 Experimental conditions and contents 序号 出氧体积 分数/% 出氧口 管径/mm 出流流量/ ( m3 ·h － 1 ) 出流速度/ ( m·s － 1 ) 1 90 8 1. 5 8. 29 2 90 8 1. 2 6. 63 3 90 8 0. 75 4. 14 4 90 8 0. 6 3. 32 5 90 6 1. 5 14. 74 6 90 6 1. 2 11. 79 7 90 6 0. 75 7. 37 8 90 6 0. 6 5. 89 ·1371·

·1372· 工程科学学报，第37卷，第10期 2结果分析 布.可以看出，轴向最大速度随着轴向距离增加而衰 减，在距离出氧口轴向x=0~0.5m范围内衰减很快， 2.1不同出流速度下轴向最大速度分布 之后进入相对稳定衰减过程，直至接近零. 图2为不同出流速度下主体段轴向最大速度分 8a 口出流速度8.29m·￥ 口出流速度14.74mg 。出流速度6.63m·s1 12 0 出流速度11.79m·s 6 △出流速度4.14m·s △出流速度7.37m·s V出流速度332m·s4 10 出流速度5.89m·。 5 一拟合曲线 一拟合曲线 4 3 6 2 04 0.4 0.8 12 1.6 2.0 0.5 1.0 25 距出氧口轴向距离/m 距出氧口轴向距离m 图2不同出流速度下主体段轴向最大速度轴向分布.(a)出氧口管径8mm:()出氧口管径6mm Fig.2 Axial velocity distribution of oxygen diffusion:(a)outlet diameter 8 mm:(b)outlet diameter 6 mm 不同出流速度下最大轴向速度衰减变化趋势是相 内最大速度衰减很快.这是由于富氧气体经出氧口进 似的，可用相似的函数表达式描述.基于射流理 入环境后轴向受周围环境气体黏性阻力影响，在距离 论-训可知，轴向最大速度u随轴向距离x的一次幂 出氧口很近范围内流动速度很大，所受阻力也很大，使 衰减，可用函数um/u。=A/(x/d)表示，其中o为出流 最大速度衰减很快 速度，A为常数，d为出氧口管径.将不同出流速度下 2.2不同出流速度下氧气轴向最大浓度分布 轴向最大速度实验点按上述函数拟合，得到轴向最大 图3为在不同出流速度下射流主体段氧气轴向最 速度的衰减关系式为：出氧口管径为8mm时um/uo= 大浓度在轴向分布.由图可以看出，射流氧气轴向最 7.6552/(x/d),出氧口管径为6mm时u./u,=8.4999/ 大浓度随着轴向距离增加而衰减，在距离出氧口轴向 (x/d),其中拟合相关系数R≥0.95.由um函数表达 距离x=0~0.6m范围内具有很大浓度梯度，之后进 式可知，轴向最大速度的衰减曲线是单调减函数，其导 入相对稳定衰减过程，直至接近环境中氧气浓度. 函数也为单调减函数，即在轴向离出氧口很近的范围 275 (a) 35 口出流速度8.29mg 口出流速度14.74m·s 0出流速度6.63m·s1 。出流速度11.79m·s △出流速度4.14m·s1 30 △出流速度7.37m·s1 21 7出流速度3.32m·s1 7出流速度5.89m·s1 拟合曲线 18 m.o 2 一拟合曲线 20 15 15 12 10F 00.30.60.91.21.51.82.12.42.7 0 0.5 1.01.52.02.53.0 35 距出氧口轴向距离/m 距出氧口轴向距离m 图3氧气轴向最大浓度轴向分布.(a)出氧口管径8mm:(b)出氧口管径6mm Fig.3 Axial oxygen concentration distribution of oxygen diffusion:(a)outlet diameter8 mm:(b)outlet diameter 6mm 不同出流速度下主体段氧气轴向最大浓度在轴向 d)表示，其中A和B为常数.拟合得到不同出流速度 衰减变化趋势也是相似的，可用相似函数描述。类似 下氧气轴向最大浓度分布，如表2所示，其中相关系数 地，基于射流理论可知0-2W,氧气轴向最大浓度C随 R2≥0.95. 轴向距离x的一次幂衰减，即可用函数Cm=A+B/(x/ 由C函数表达式可知，氧气轴向最大浓度在轴向

工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 2 结果分析 2. 1 不同出流速度下轴向最大速度分布 图 2 为不同出流速度下主体段轴向最大速度分 布． 可以看出，轴向最大速度随着轴向距离增加而衰 减，在距离出氧口轴向 x = 0 ～ 0. 5 m 范围内衰减很快， 之后进入相对稳定衰减过程，直至接近零． 图 2 不同出流速度下主体段轴向最大速度轴向分布． ( a) 出氧口管径 8 mm; ( b) 出氧口管径 6 mm Fig． 2 Axial velocity distribution of oxygen diffusion: ( a) outlet diameter 8 mm; ( b) outlet diameter 6 mm 不同出流速度下最大轴向速度衰减变化趋势是相 似的，可 用 相 似 的 函 数 表 达 式 描 述． 基 于 射 流 理 论［20--21］可知，轴向最大速度 um随轴向距离 x 的一次幂 衰减，可用函数 um /u0 = A /( x /d) 表示，其中 u0为出流 速度，A 为常数，d 为出氧口管径． 将不同出流速度下 轴向最大速度实验点按上述函数拟合，得到轴向最大 速度的衰减关系式为: 出氧口管径为 8 mm 时 um /u0 = 7. 6552 /( x /d) ，出氧口管径为 6 mm 时 um /u0 = 8. 4999 / ( x /d) ，其中拟合相关系数 Ｒ2 ≥0. 95． 由 um函数表达 式可知，轴向最大速度的衰减曲线是单调减函数，其导 函数也为单调减函数，即在轴向离出氧口很近的范围 内最大速度衰减很快． 这是由于富氧气体经出氧口进 入环境后轴向受周围环境气体黏性阻力影响，在距离 出氧口很近范围内流动速度很大，所受阻力也很大，使 最大速度衰减很快． 2. 2 不同出流速度下氧气轴向最大浓度分布 图 3 为在不同出流速度下射流主体段氧气轴向最 大浓度在轴向分布． 由图可以看出，射流氧气轴向最 大浓度随着轴向距离增加而衰减，在距离出氧口轴向 距离 x = 0 ～ 0. 6 m 范围内具有很大浓度梯度，之后进 入相对稳定衰减过程，直至接近环境中氧气浓度． 图 3 氧气轴向最大浓度轴向分布． ( a) 出氧口管径 8 mm; ( b) 出氧口管径 6 mm Fig． 3 Axial oxygen concentration distribution of oxygen diffusion: ( a) outlet diameter 8 mm; ( b) outlet diameter 6 mm 不同出流速度下主体段氧气轴向最大浓度在轴向 衰减变化趋势也是相似的，可用相似函数描述． 类似 地，基于射流理论可知［20--21］，氧气轴向最大浓度 Cm随 轴向距离 x 的一次幂衰减，即可用函数 Cm = A + B/( x / d) 表示，其中 A 和 B 为常数． 拟合得到不同出流速度 下氧气轴向最大浓度分布，如表 2 所示，其中相关系数 Ｒ2 ≥0. 95． 由 Cm函数表达式可知，氧气轴向最大浓度在轴向 ·1372·

刘应书等：弥散供氧流动特性及其富氧效果 ·1373· 衰减曲线是单调减函数，其导函数也为单调减函数，即 境中氧气浓度的流场区域为富氧区域，不同出流速度 在轴向离出氧口很近的范围内氧气轴向最大浓度衰减 下弥散所形成富氧区域如图4所示 很快.这是由于富氧气流进入环境后，与周围环境发 表2氧气轴向最大浓度分布关系式 生对流扩散过程和浓度差为推动力扩散过程，使氧气 Table 2 Axial oxygen concentration distribution of oxygen diffusion 轴向最大浓度在轴向逐渐衰减：在轴向离出氧口很近 出氧口出流速度/ 氧气轴向最大浓度 的范围内由于流动主体与周围环境中浓度差很大，使 A B 管径/mm (m.s-1) 分布/(molm3) 扩散过程更快，故氧气轴向最大浓度在该范围内衰减 8.29 8.84 294.998.84+294.99/(x/d0 很快. 6.63 8.84 226.258.84+226.25/(x/d0 不同出流速度的氧气轴向最大浓度C表达式中 4.14 8.84 148.888.84+148.88/(x/d) B不同.经分析B与出流速度关系可知，B与出流速 3.32 8.84 104.998.84+104.99/(x/d) 度存在线性变化关系.经拟合得到其关系式为：出氧 口管径为8mm时B=-10.807+36.632u。,出氧口管 6 14.74 8.84 498.998.84+498.99/(x/d) 径为6mm时B=1.3791+33.362u。,其中相关系数 6 11.79 8.84 381.678.84+381.671(x/d0 R2≥0.95 7.37 8.84 265.67 8.84+265.67/(x/d0 2.3不同出流速度下弥散形成富氧区域 5.89 8.84 186.988.84+186.98/(x/d0 弥散供氧所形成流场区域内氧气浓度大于周围环 2.0 2.5 o-出流速度829m·s (a) 0-出流速度14.74m·5 b 2.0 0一出流速度6.63m·s1 1.6 0-出流速度11.79m·8 △一出流速度4.14m·8 △一出流速度7.37m·s 1.2 1.5 7-出流速度332m·s v-出流速度5.89m·s 1.0 0.8 0.5 0.4 0.s 0.4 10 0.8 -1.2 1.0 152.0 25 05 1.01.52.02.5 3.0 35 距出氧口轴向距离m 距出氧口轴向距离m 图4弥散形成富氧区域.(a)出氧口管径8mm:(b)出氧口管径6mm Fig.4 Oxygen-enriched region of oxygen diffusion:(a)outlet diameter 8 mm:(b)outlet diameter 6 mm 由图4可以看出：不同出流速度下弥散形成的富 表3富氧区域外边界半宽度与轴向距离关系式 氧区域是相似的，为类扇形区域：出流速度较小时，弥 Table 3 Relationship between the extended half-width of outer boundary 散所形成的富氧区域在轴向和径向都比出流速度较大 enriched area and the axial distance 时形成的富氧区域小，这是由于流动主体在轴向和径 出氧口 出流速度/ 富氧区域外边界半宽度与 向所具有的扩展特性造成的m-.出氧口管径为6mm 管径/mm (ms-1) 轴向距离关系式 时，弥散所形成的富氧区域下游的浓度轮廓比管径为 8.29 0.24675+0.77250x 8mm弥散形成的富氧区域下游的浓度轮廓更接近“半 8 6.63 0.19381+0.70237x 椭圆”形，弥散范围更大，这是由于较小管径下出流速 8 4.14 0.09300+0.66000x 度更大，加强氧气在轴向上的扩散. 8 3.32 0.01950+0.61600x 不同出流速度下弥散供氧所形成的富氧区域外边 6 14.74 0.20300+0.55000x 界宽度也不同，富氧区域的外边界在轴向距离不断扩 6 11.79 0.15500+0.49000x 展.由射流理论可知-训，富氧区域外边界半宽度在 6 7.37 0.08475+0.41250x 轴向线性扩展，即可用函数b=A+Bx表示，其中b为 6 5.89 0.03750+0.34500x 富氧区域外边界半宽度，x为轴向距离，A和B为常 数.经拟合得到不同出流速度下富氧区域外边界半宽 不同出流速度下富氧区域外边界半宽度与轴向距 度与轴向距离关系式，如表3所示 离关系式中A和B均不同.通过分析A和B与出流速

刘应书等: 弥散供氧流动特性及其富氧效果 衰减曲线是单调减函数，其导函数也为单调减函数，即 在轴向离出氧口很近的范围内氧气轴向最大浓度衰减 很快． 这是由于富氧气流进入环境后，与周围环境发 生对流扩散过程和浓度差为推动力扩散过程，使氧气 轴向最大浓度在轴向逐渐衰减; 在轴向离出氧口很近 的范围内由于流动主体与周围环境中浓度差很大，使 扩散过程更快，故氧气轴向最大浓度在该范围内衰减 很快． 不同出流速度的氧气轴向最大浓度 Cm表达式中 B 不同． 经分析 B 与出流速度关系可知，B 与出流速 度存在线性变化关系． 经拟合得到其关系式为: 出氧 口管径为 8 mm 时 B = － 10. 807 + 36. 632u0，出氧口管 径为 6 mm 时 B = 1. 3791 + 33. 362u0，其 中 相 关 系 数 Ｒ2 ≥0. 95． 2. 3 不同出流速度下弥散形成富氧区域 弥散供氧所形成流场区域内氧气浓度大于周围环 境中氧气浓度的流场区域为富氧区域，不同出流速度 下弥散所形成富氧区域如图 4 所示． 表 2 氧气轴向最大浓度分布关系式 Table 2 Axial oxygen concentration distribution of oxygen diffusion 出氧口 管径/mm 出流速度/ ( m·s － 1 ) A B 氧气轴向最大浓度 分布/( mol·m － 3 ) 8 8. 29 8. 84 294. 99 8. 84 + 294. 99 /( x /d) 8 6. 63 8. 84 226. 25 8. 84 + 226. 25 /( x /d) 8 4. 14 8. 84 148. 88 8. 84 + 148. 88 /( x /d) 8 3. 32 8. 84 104. 99 8. 84 + 104. 99 /( x /d) 6 14. 74 8. 84 498. 99 8. 84 + 498. 99 /( x /d) 6 11. 79 8. 84 381. 67 8. 84 + 381. 67 /( x /d) 6 7. 37 8. 84 265. 67 8. 84 + 265. 67 /( x /d) 6 5. 89 8. 84 186. 98 8. 84 + 186. 98 /( x /d) 图 4 弥散形成富氧区域． ( a) 出氧口管径 8 mm; ( b) 出氧口管径 6 mm Fig． 4 Oxygen-enriched region of oxygen diffusion: ( a) outlet diameter 8 mm; ( b) outlet diameter 6 mm 由图 4 可以看出: 不同出流速度下弥散形成的富 氧区域是相似的，为类扇形区域; 出流速度较小时，弥 散所形成的富氧区域在轴向和径向都比出流速度较大 时形成的富氧区域小，这是由于流动主体在轴向和径 向所具有的扩展特性造成的［22--23］． 出氧口管径为6 mm 时，弥散所形成的富氧区域下游的浓度轮廓比管径为 8 mm 弥散形成的富氧区域下游的浓度轮廓更接近“半 椭圆”形，弥散范围更大，这是由于较小管径下出流速 度更大，加强氧气在轴向上的扩散． 不同出流速度下弥散供氧所形成的富氧区域外边 界宽度也不同，富氧区域的外边界在轴向距离不断扩 展． 由射流理论可知［20--21］，富氧区域外边界半宽度在 轴向线性扩展，即可用函数 b = A + Bx 表示，其中 b 为 富氧区域外边界半宽度，x 为轴向距离，A 和 B 为常 数． 经拟合得到不同出流速度下富氧区域外边界半宽 度与轴向距离关系式，如表 3 所示． 表 3 富氧区域外边界半宽度与轴向距离关系式 Table 3 Ｒelationship between the extended half-width of outer boundary enriched area and the axial distance 出氧口 管径/mm 出流速度/ ( m·s － 1 ) 富氧区域外边界半宽度与 轴向距离关系式 8 8. 29 0. 24675 + 0. 77250x 8 6. 63 0. 19381 + 0. 70237x 8 4. 14 0. 09300 + 0. 66000x 8 3. 32 0. 01950 + 0. 61600x 6 14. 74 0. 20300 + 0. 55000x 6 11. 79 0. 15500 + 0. 49000x 6 7. 37 0. 08475 + 0. 41250x 6 5. 89 0. 03750 + 0. 34500x 不同出流速度下富氧区域外边界半宽度与轴向距 离关系式中 A 和 B 均不同． 通过分析 A 和 B 与出流速 ·1373·

·1374· 工程科学学报，第37卷，第10期 度关系可知，A和B与出流速度均存在线性变化关系. 经拟合得到其关系式为：出氧口管径为8mm时A= 由表4可知，出氧管径为8mm和6mm时，相同出 -0.10621+0.04377u,和B=0.52811+0.02858u。,出 流流量下采用双出氧口弥散供氧时，所形成的富氧面 积均比单出氧口时形成富氧面积少约10%.这是因为 氧口管径为6mm时A=--0.05845+0.01794u,和B= 相同出流流量下采用双出氧口时，弥散流场区域内富 0.23311+0.02174uo,其中相关系数R2≥0.95 氧气流流动速度较小，氧气扩散过程较充分，氧气扩散 2.4弥散供氧形成富氧面积 损失较多，故形成的富氧面积较小 (1)不同出流流量下的富氧面积.弥散供氧形成 (3)不同出氧管径下的富氧面积.不同出流流量 的富氧区域所围成的面积为富氧面积.计算不同出流 的富氧以不同的出氧口管径弥散供氧形成的富氧面积 流量下的富氧面积，得到富氧面积与出流流量变化，见 如表5所示. 图5. 4.5 表5不同出氧口管径下弥散形成的富氧面积 口6mm管径富氧面积 Table 5 Oxygen-enriched area at different tube diameters 4.0 o8mm管径富氧面积 拟合曲线 出流流量/ 8mm管径 6mm管径 宫氧面积增加 3.5 (m3-h1) 富氧面积/m2 富氧面积/m2 相对值/% 3.0 1.50 3.992 4.256 6.61 1.20 2.987 3.302 10.55 2.5 0.75 1.721 1.958 13.77 2.0 0.60 1.307 1.458 11.55 19 由表5可以看出，相同流量的富氧以6mm管径出 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 16 氧时，弥散形成的富氧面积均比8mm管径出氧形成富 出流流量Nm之.h-) 氧面积大.这是由于相同流量的富氧以较小管径弥散 图5不同出流流量下弥散形成富氧面积 供氧时，流场内同一位置上流动速度更大，较大的流动 Fig.5 Oxygen-enriched area of oxygen diffusion 速度会加快氧气在空间扩散，故弥散形成的富氧面积 由图5可以看出，随着出流流量的增加，相应的富 也较大.相同流量的富氧以6mm管径出氧弥散所形 氧面积也增加.经拟合得到富氧面积与出流流量的关 成的富氧面积比8mm管径出氧时形成的富氧面积大 系为线性关系：出氧口管径为8mm时F=-0.49547+ 约10%：但是采用较小管径出氧使出流速度较大，使 2.9602L,出氧口管径为6mm时F=-0.37886+ 流场内速度较大，人员舒适性也较差 3.0838L,其中F为富氧面积，L为出流流量，相关系数 出流流量为0.6m3·h时，弥散供氧形成的富氧 R2≥0.95. 面积为1.3m2左右，该面积与单人活动范围面积相当， (2)不同出氧管数下的富氧面积.将出流流量为 故供氧量为0.6m3h可做为弥散供氧时单人基础供 1.5m3h和1.2m3h富氧分别以单出氧口和双出 氧量，以此为基础按人员多少配置弥散供氧设备大小 氧口弥散供氧时，不同管数下弥散形成的富氧面积如 及布置弥散供氧出氧口. 表4所示. 3 结论 表4不同出氧管数下弥散形成的富氧面积 Table 4 Oxygen-enriched area at different tube numbers (1)弥散供氧轴向最大速度和氧气轴向最大浓度 出氧口 出氧出流流量/ 富氧 采用双管富氧面积 均随轴向距离增加而衰减，且在轴向x=0~0.6m范 管径/mm 管数 (m3h1) 面积/m2 减少相对值/% 围内具有很大速度梯度和浓度梯度 (2)不同出流速度下弥散形成的富氧区域形状是 8 1 1.5 3.992 13.78 8 2 0.75 3.442 相似的，较小管径下富氧区域下游的浓度轮廓更接近 “半椭圆”形，弥散范围更大.拟合得到富氧区域外边 8 1.2 2.987 12.49 界扩展半宽度随轴向距离变化的关系式及富氧面积随 8 2 0.6 2.614 出流流量变化的关系式.富氧面积随出流流量变化关 6 1 1.5 4.256 7.99 系为：出氧口管径为8mm时F=-0.49547+ 6 2 0.75 3.916 2.9602L,出氧口管径为6mm时F=-0.37886+ 6 1.2 3.302 11.69 3.0838L. 6 0.6 2.916 (3)相同流量的富氧采用双出氧口弥散形成的富

工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 度关系可知，A 和 B 与出流速度均存在线性变化关系． 经拟合得到其关系式为: 出氧口管径为 8 mm 时A = － 0. 10621 + 0. 04377u0和 B = 0. 52811 + 0. 02858u0，出 氧口管径为 6 mm 时 A = － 0. 05845 + 0. 01794u0和 B = 0. 23311 + 0. 02174u0，其中相关系数 Ｒ2 ≥0. 95． 2. 4 弥散供氧形成富氧面积 ( 1) 不同出流流量下的富氧面积． 弥散供氧形成 的富氧区域所围成的面积为富氧面积． 计算不同出流 流量下的富氧面积，得到富氧面积与出流流量变化，见 图 5． 图 5 不同出流流量下弥散形成富氧面积 Fig． 5 Oxygen-enriched area of oxygen diffusion 由图 5 可以看出，随着出流流量的增加，相应的富 氧面积也增加． 经拟合得到富氧面积与出流流量的关 系为线性关系: 出氧口管径为 8 mm 时 F = － 0. 49547 + 2. 9602L，出 氧 口 管 径 为 6 mm 时 F = － 0. 37886 + 3. 0838L，其中 F 为富氧面积，L 为出流流量，相关系数 Ｒ2 ≥0. 95． ( 2) 不同出氧管数下的富氧面积． 将出流流量为 1. 5 m3 ·h － 1 和 1. 2 m3 ·h － 1 富氧分别以单出氧口和双出 氧口弥散供氧时，不同管数下弥散形成的富氧面积如 表 4 所示． 表 4 不同出氧管数下弥散形成的富氧面积 Table 4 Oxygen-enriched area at different tube numbers 出氧口 管径/mm 出氧 管数 出流流量/ ( m3 ·h － 1 ) 富氧 面积/m2 采用双管富氧面积 减少相对值/% 8 1 1. 5 3. 992 13. 78 8 2 0. 75 3. 442 8 1 1. 2 2. 987 12. 49 8 2 0. 6 2. 614 6 1 1. 5 4. 256 7. 99 6 2 0. 75 3. 916 6 1 1. 2 3. 302 11. 69 6 2 0. 6 2. 916 由表 4 可知，出氧管径为 8 mm 和 6 mm 时，相同出 流流量下采用双出氧口弥散供氧时，所形成的富氧面 积均比单出氧口时形成富氧面积少约 10% ． 这是因为 相同出流流量下采用双出氧口时，弥散流场区域内富 氧气流流动速度较小，氧气扩散过程较充分，氧气扩散 损失较多，故形成的富氧面积较小． ( 3) 不同出氧管径下的富氧面积． 不同出流流量 的富氧以不同的出氧口管径弥散供氧形成的富氧面积 如表 5 所示． 表 5 不同出氧口管径下弥散形成的富氧面积 Table 5 Oxygen-enriched area at different tube diameters 出流流量/ ( m3 ·h － 1 ) 8 mm 管径 富氧面积/m2 6 mm 管径 富氧面积/m2 富氧面积增加 相对值/% 1. 50 3. 992 4. 256 6. 61 1. 20 2. 987 3. 302 10. 55 0. 75 1. 721 1. 958 13. 77 0. 60 1. 307 1. 458 11. 55 由表 5 可以看出，相同流量的富氧以 6 mm 管径出 氧时，弥散形成的富氧面积均比 8 mm 管径出氧形成富 氧面积大． 这是由于相同流量的富氧以较小管径弥散 供氧时，流场内同一位置上流动速度更大，较大的流动 速度会加快氧气在空间扩散，故弥散形成的富氧面积 也较大． 相同流量的富氧以 6 mm 管径出氧弥散所形 成的富氧面积比 8 mm 管径出氧时形成的富氧面积大 约 10% ; 但是采用较小管径出氧使出流速度较大，使 流场内速度较大，人员舒适性也较差． 出流流量为 0. 6 m3 ·h － 1 时，弥散供氧形成的富氧 面积为 1. 3 m2 左右，该面积与单人活动范围面积相当， 故供氧量为 0. 6 m3 ·h － 1 可做为弥散供氧时单人基础供 氧量，以此为基础按人员多少配置弥散供氧设备大小 及布置弥散供氧出氧口． 3 结论 ( 1) 弥散供氧轴向最大速度和氧气轴向最大浓度 均随轴向距离增加而衰减，且在轴向 x = 0 ～ 0. 6 m 范 围内具有很大速度梯度和浓度梯度． ( 2) 不同出流速度下弥散形成的富氧区域形状是 相似的，较小管径下富氧区域下游的浓度轮廓更接近 “半椭圆”形，弥散范围更大． 拟合得到富氧区域外边 界扩展半宽度随轴向距离变化的关系式及富氧面积随 出流流量变化的关系式． 富氧面积随出流流量变化关 系为: 出 氧 口 管 径 为 8 mm 时 F = － 0. 49547 + 2. 9602L，出 氧 口 管 径 为 6 mm 时 F = － 0. 37886 + 3. 0838L． ( 3) 相同流量的富氧采用双出氧口弥散形成的富 ·1374·