等温条件下气流运动的选择频率

摘要：气流脉动频率是描述气流特征的因素之一，同时也是影响人体热感觉的一项重要因素。该文能过106名受试者在26～30.5℃温度范围内，两种相对湿度条件下的选择频率的研究，探讨了频率对人体热感觉的影响作用。利用主观评价法（投票法）的试验，结果发现，环境温度和相对湿度对人体选择频率的作用不显著。在实验工况下，超过80%的受试者选择了0.3～0.5Hz范围内的气流脉动频率，选择频率的平均值为0.4Hz。随着频率的增加，人体感受到的吹风强度逐渐减小，存在"感觉风速"的现象。本研究和Fanger的实验结果都证明：频率在0.3～0.5Hz范围内的气流对人体产生的冷作用最强。
　本文的目的是考察按不同频率周期性变化的气流对人体热感觉的影响作用。对于它的研究，不仅会减少气流引起的冷吹风感的产生，而且能更好的利用空气流动，改善人体在较热环境中的热感觉。
　　根据紊流的统计理论[1]，我们可以按频率来讨论紊流能量的分布问题，这就是用功率谱密度的方法进行研究。因此，频率是描述紊动气流的不可缺少的特征之一，它也必然是影响人体热感觉的一项重要因素。
　　Fanger[2]等人的实验发现，频率为0.3～0.5Hz的周期性变化的气流对于处于冷一中性状态的受试者容易引起更大的不舒适感觉。Tanabe[3]等人考察了不同波动形式的气流作用下人体的热感觉情况，发现按照正弦形式变化的气流比恒定的气流对人体的冷作用更大，而且频率分别为16.7，33.0和100mHz的气流对人体的作用没有显著的不同。在比较了相同速度，不同模式的气流作用后，Arens[4]等人认为，最大功率谱密度在0.7～1.0Hz的恒定模式比最大值0.2～0.4Hz的波动气流对人体的冷却作用更好。
　　1 实验方法
　　实验在清华大学的气候室中进行。该气候室提供等温气流的静压箱，出口设置纵向百叶，能方便地调节百叶的摆动速度和送风机的转速。受试者周围布置有半导体测温计、干湿球温度计和等温式的热线风速仪。
　　受试者年龄18～20岁。服装热阻约为0.6clo(1clo=0.155m2·K·W-1),加上金属折叠椅的热阻[5]，总的服装热阻为0.7clo(0.109m2·K·w-1)。
　　气候室的温度设定点分别为26.0，27.5，29.0，30.5℃;相对湿度分别为35%，65%。每一低相对湿度工况包含40个样本，高相对湿度工况包含22个样本。参加实验106人次。新陈代谢率M=1.0met(1met=58W·m2)
　　每次实验进行2h，包含1种相对湿度，2种温度工况。在第1个0.5h中，受试者进入气候室，换上实验服装，并适应气候室的热环境，按实验人员的要求，填写背景调查问卷。在随后的1.0h中，受试者面对风口而坐，调节风速和频率达到自己满意状态，并继续填写问卷。每种温度工况维持0.5h，其间，受试者可以阅读或谈话。在改变温度工况的间隙，他们可以离开座位休息，但不离开气候室。最后0.5h，受试者感受4种频率的气流，以对风强的感觉不变为前提，给出不同频率下的选择风速。
　　2 结果与分析
　　2.1 脉动频率
　　实验中有4种典型的风速样本，见图1所示。用功率谱分析的方法得到功率谱密度最大值对应的频率，由于风速呈较规律的周期性变化，在某一频率处的功率谱密度出现一个大的峰值，见图2a，可以用此频率来表征这一气流。 这4种典型频率分别为0.16，0.31，0.50，0.64Hz 。功率谱密度函数由下式来计算，
　　

　　其中：f为频率，E(f)为功率谱密度函数，
为速度均方值。

　　

　　图1 4种典型脉动频率下的风速样本
　　在自然界中，气流速度的变化是随机脉动的，其频谱函数也是连续的，能量分布在较大的频率区间内，如图2b 所示。为了了解某一窄范围的频率值对人体热感觉的影响，我们将其强化，提取出来专门研究，所以，实验中用到的周期性变化的气流(图1，图2a)可以看作是实际气流在某一频率处的提取与强化(图2b)。
　　

　　图2 实验用气流(a)与一种自然风(b)的频谱比较
　　2.2 选择频率
　　在实验过程中，受试者感受不同频率的气流，给出可以接受的频率范围，以及最合适的一个选择频率值。对结果的方差分析发现，频率范围和选择频率随着环境操作温度和相对湿度的变化并不显著，在所有的实验工况中，受试者的选择频率约为0.4Hz，可接受的频率范围集中在0.2～0.65Hz.
　　以相对湿度为35%为例，图3表示了在4种温度工况下，选择频率的分布(p)情况。可以看出，温度对分布的影响不显
　　著，超过80%