结合喷射器概念的自然通风装置设计
日期 【】由于环保意识的提升，使得能源话题不断地受到关注。考虑到一般厂房不可能都加装冷气、电扇等设备，因此本文将结合文氏管及喷射器原理来设计自然通风装置，并透过田口方法找出最佳的设计参数组合，以获取最大的抽风效率。该装置可以在不需任何机械装置的辅助下，产生自然抽风作用，使空间内可透过自然对流通风来取代冷气、风扇等设备，因此既可节省能源又环保。本文利用田口方法有效地缩短实验次数，且能维持一定的实验准确度。经由 ANSYS CFX 的模拟分析结果显示，在最佳化设计过程中，出口直径、喷口直径与喷口出口位置为此装置的重要设计因子。适当的调整出口直径，能使气体更快的排出，而喷口直径与出口位置则会影响负压区域的大小与形成的位置。系统通道截面积的变化虽能形成低压高速区域，使气流流动更为顺畅，有效地提升抽气效率，但当差异过大时，则有可能造成负面效果，故存在一最佳值。同时，本文也探讨装置串接组合运用的可行性，以便在大厂房空间须安装多个使用时，能进一步提升装置整体的效益。由模拟结果的分析显示，在串接应用时若各系统间没有预留间隙，则会使两装置间产生回流而造成反效果；反之，若有预留1～10公分之间隙，则抽风效率将会较佳，且当三个装置串接时整体效能提高了约15%，故厂房若需安装多个时，可考虑以适当的串接方式来做连接以提升装置效益。
目录
引言 1
一、装置概述 1
（一）文氏管 1
（二）喷射器 1
（三）自然通风装置 1
二、研究方法与规划 2
（一）自然通风装置之设计 2
（二）模拟流程 2
（三）田口方法实验 3
（四）准确测试的注意事项 6
三、结果与讨论 14
总结 15
参考文献 16
谢辞 17
引言
现在大多数的人在炎炎夏日来临的时候，第一个想到的就是关紧门窗，打开冷气来降温，于是在消耗大量电力资源的同时，也增加了空气的污染，对环境产生不好的影响。但是很少人会去注意到，可以使用自然通风的方式来改善室内的通风。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
随着科技的发展进步，人们也越来越着重环保这一块，不再只是一味地追求科技的发达，因此传统能源在使用上对环境的影响便逐渐受到关注。而自然通风可以在不需要依靠任何机械装置的情况下提供通风功能，让空气流通，除了可降低能源的消耗外，由于没有任何机械装置，也因此可以减少室内的噪音。
本文的主要目的是设计出具有良好抽风性能的顶楼自然通风设备，不借助于其他机械装置也能达到良好的通风效果。除了应用文氏管原理以及喷射器的设计概念外，还运用田口方法进行通风装置的辅助设计。
一、装置概述
（一）文氏管
耐文氏管是一个截面面积持续变化（大→小→大）的圆形管道，最小处(B)称为喉颈，也就是速度最快、压力最小，且吸力最强的位置(如图11所示)，而此一特性可应用在许多不同的场合。杨可森等人[1]于 2002 年对文氏管在液压与气动技术中的多种应用进行探讨。刘鹏辉等人[2]于 2006 年利用文氏管的标准节流特性实现了流量检测的功能。陈令锡等人[3]于 2010 年利用直列并排之文氏管注入器进行肥灌系统养液输出性能的研究。而张家辉[4]则于 2011 年透过伯努力定理及文氏管原理设计出水产养殖曝气机。
图11 文氏管构造示意图
（二）喷射器
喷射器是利用高压流体（液体或气体），将低压流体（液体或气体）吸入后混合变成中压流体排出，构造简易的管路机件，主要由喷嘴、混合室和扩大管等部分构成，如图12所示。喉管处设有一吸入室以便吸入待输送流体，而为使两种流体能够充分混合，在吸入室下游又设有一混合室。运作时，工作流体以高速由喷嘴喷出，在吸入室形成低压，将待输送流体吸入后进入混合室。在混合室中，高能量的工作流体和低能量的被输送液体充分混合，透过能量的交换，速度也逐渐一致。往下游进入扩散室后，速度放慢，静压回升，达到输送的目的。
图12 喷射器基本构造示意图
McGovern 等人[5]于 2012 年针对一维喷射器模型的最佳参数进行研究。Subramanian 等人[6]则于2014 年针对喷射器与风机结合运用之数值模拟和实验研究进行比较，而结果显示两者的间的最大偏差量约为 7.64％。同年，Maghsoodi 等人[7]则是利用人工类神经网络与遗传算法来设计用于质子交换膜燃料电池系统中的高性能喷射器的最佳几何参数。
（三）自然通风装置
自然通风是指利用自然的方法为室内空间提供或者抽走空气的过程，而所谓自然的方法就是在提供或者抽走空气的过程中，不需要任何外加动力装置(如风扇)，而只是利用建筑物内外的压差或环境风力来提供通风和空间冷却。林明泽[8]于2010年针对在台湾气候下，自然通风应用于建筑初期设计的方法提出了一流程图。余品龙[9]于2011年针对动态通风井对自然通风效能之影响进行研究。而吴政翰[10]则是于2016年针对文氏管式自然通风系统的设计进行研究。
二、研究方法与规划
（一）自然通风装置之设计
本文所探讨之自然通风装置的模型尺寸是参考之前吴政翰[10]不同设计的尺寸大小而决定的，如图21所示。该装置主要是利用文氏管原理结合喷射器概念所设计的，希望能透过自然风力的作用，来改善室内的通风。研究中除将针对特定设计参数加以变化，以确定最佳化参数组合外，最后还将进一步确认该设计是否可在适当的串接方式下，加成提升整体的通风效益。
图21 自然通风装置立体图当自然通风装置安装在建筑物屋顶
如图22所示，一旦空气自装置进口处流入时，流速将因截面积的变化而增加，压力也随之降低，故形成内外压差，这将有利于抽取下方建筑物内部的空气，再经由出口排出，如图23所示。图23中圈起部分的设计可有扩口、平口及缩口三种选择，故在研究开始前将先针对三种设计进行第一阶段田口实验，再就结果表现最佳的设计进行第二阶段的田口实验。
图22 自然通风装置安装于建筑物屋顶示意图
图23 自然通风装置运作示意
（二）模拟流程
本研究中所采用之模拟软件为 ANSYS 的 CFX 模组，在模拟开始进行前，首先将进行模拟区域的设定及网格的建立，一般而言，在模拟中较关心的对象的周围空间网格密度需较高，而其他流场变化不大或较不重要之区域的网格密度则可较低，最终的网格分布图如图24所示，而相关的空间尺寸及模拟设定则如表21所示。
图24 整体模拟空间之网格分
表21 模拟参数及边界条件
计算空间入口风速
5 m/s
计算空间大小
计算空间长度 20000mm
计算空间宽度 6000mm
计算空间高度 5000mm
大气环境压力
1atm(相对压力 0 pa)
计算流体
标准大气
流体形式
气体(忽略重力、温度)
（三）田口方法实验
本文进行了两阶段的 L18 田口方法实验，第一阶段的主要目的为决定自然通风装置最适合的喷口设计(扩口、平口或缩口)及初步最佳尺寸。接着再以所得到的模型参数为基准，进行第二阶段的田口方法实验，以求得最佳的设计参数组合。
（四）问题定义
本研究是希望通过田口方法实验，协助设计出性能良好的自然通风装置，所以参考喷射器相关文献，从中决定模型的主要设计参数，再决定出良好的通风系统，使室内的抽气效果得以提升质量特性。因本研究的目的为提升自然通风装置的抽气量，故考量的主要对象为由室内抽气的体积流率，故将质量特性(Y)设定为抽气之体积流率。
（五）质量特性
目录
引言 1
一、装置概述 1
（一）文氏管 1
（二）喷射器 1
（三）自然通风装置 1
二、研究方法与规划 2
（一）自然通风装置之设计 2
（二）模拟流程 2
（三）田口方法实验 3
（四）准确测试的注意事项 6
三、结果与讨论 14
总结 15
参考文献 16
谢辞 17
引言
现在大多数的人在炎炎夏日来临的时候，第一个想到的就是关紧门窗，打开冷气来降温，于是在消耗大量电力资源的同时，也增加了空气的污染，对环境产生不好的影响。但是很少人会去注意到，可以使用自然通风的方式来改善室内的通风。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
随着科技的发展进步，人们也越来越着重环保这一块，不再只是一味地追求科技的发达，因此传统能源在使用上对环境的影响便逐渐受到关注。而自然通风可以在不需要依靠任何机械装置的情况下提供通风功能，让空气流通，除了可降低能源的消耗外，由于没有任何机械装置，也因此可以减少室内的噪音。
本文的主要目的是设计出具有良好抽风性能的顶楼自然通风设备，不借助于其他机械装置也能达到良好的通风效果。除了应用文氏管原理以及喷射器的设计概念外，还运用田口方法进行通风装置的辅助设计。
一、装置概述
（一）文氏管
耐文氏管是一个截面面积持续变化（大→小→大）的圆形管道，最小处(B)称为喉颈，也就是速度最快、压力最小，且吸力最强的位置(如图11所示)，而此一特性可应用在许多不同的场合。杨可森等人[1]于 2002 年对文氏管在液压与气动技术中的多种应用进行探讨。刘鹏辉等人[2]于 2006 年利用文氏管的标准节流特性实现了流量检测的功能。陈令锡等人[3]于 2010 年利用直列并排之文氏管注入器进行肥灌系统养液输出性能的研究。而张家辉[4]则于 2011 年透过伯努力定理及文氏管原理设计出水产养殖曝气机。
图11 文氏管构造示意图
（二）喷射器
喷射器是利用高压流体（液体或气体），将低压流体（液体或气体）吸入后混合变成中压流体排出，构造简易的管路机件，主要由喷嘴、混合室和扩大管等部分构成，如图12所示。喉管处设有一吸入室以便吸入待输送流体，而为使两种流体能够充分混合，在吸入室下游又设有一混合室。运作时，工作流体以高速由喷嘴喷出，在吸入室形成低压，将待输送流体吸入后进入混合室。在混合室中，高能量的工作流体和低能量的被输送液体充分混合，透过能量的交换，速度也逐渐一致。往下游进入扩散室后，速度放慢，静压回升，达到输送的目的。
图12 喷射器基本构造示意图
McGovern 等人[5]于 2012 年针对一维喷射器模型的最佳参数进行研究。Subramanian 等人[6]则于2014 年针对喷射器与风机结合运用之数值模拟和实验研究进行比较，而结果显示两者的间的最大偏差量约为 7.64％。同年，Maghsoodi 等人[7]则是利用人工类神经网络与遗传算法来设计用于质子交换膜燃料电池系统中的高性能喷射器的最佳几何参数。
（三）自然通风装置
自然通风是指利用自然的方法为室内空间提供或者抽走空气的过程，而所谓自然的方法就是在提供或者抽走空气的过程中，不需要任何外加动力装置(如风扇)，而只是利用建筑物内外的压差或环境风力来提供通风和空间冷却。林明泽[8]于2010年针对在台湾气候下，自然通风应用于建筑初期设计的方法提出了一流程图。余品龙[9]于2011年针对动态通风井对自然通风效能之影响进行研究。而吴政翰[10]则是于2016年针对文氏管式自然通风系统的设计进行研究。
二、研究方法与规划
（一）自然通风装置之设计
本文所探讨之自然通风装置的模型尺寸是参考之前吴政翰[10]不同设计的尺寸大小而决定的，如图21所示。该装置主要是利用文氏管原理结合喷射器概念所设计的，希望能透过自然风力的作用，来改善室内的通风。研究中除将针对特定设计参数加以变化，以确定最佳化参数组合外，最后还将进一步确认该设计是否可在适当的串接方式下，加成提升整体的通风效益。
图21 自然通风装置立体图当自然通风装置安装在建筑物屋顶
如图22所示，一旦空气自装置进口处流入时，流速将因截面积的变化而增加，压力也随之降低，故形成内外压差，这将有利于抽取下方建筑物内部的空气，再经由出口排出，如图23所示。图23中圈起部分的设计可有扩口、平口及缩口三种选择，故在研究开始前将先针对三种设计进行第一阶段田口实验，再就结果表现最佳的设计进行第二阶段的田口实验。
图22 自然通风装置安装于建筑物屋顶示意图
图23 自然通风装置运作示意
（二）模拟流程
本研究中所采用之模拟软件为 ANSYS 的 CFX 模组，在模拟开始进行前，首先将进行模拟区域的设定及网格的建立，一般而言，在模拟中较关心的对象的周围空间网格密度需较高，而其他流场变化不大或较不重要之区域的网格密度则可较低，最终的网格分布图如图24所示，而相关的空间尺寸及模拟设定则如表21所示。
图24 整体模拟空间之网格分
表21 模拟参数及边界条件
计算空间入口风速
5 m/s
计算空间大小
计算空间长度 20000mm
计算空间宽度 6000mm
计算空间高度 5000mm
大气环境压力
1atm(相对压力 0 pa)
计算流体
标准大气
流体形式
气体(忽略重力、温度)
（三）田口方法实验
本文进行了两阶段的 L18 田口方法实验，第一阶段的主要目的为决定自然通风装置最适合的喷口设计(扩口、平口或缩口)及初步最佳尺寸。接着再以所得到的模型参数为基准，进行第二阶段的田口方法实验，以求得最佳的设计参数组合。
（四）问题定义
本研究是希望通过田口方法实验，协助设计出性能良好的自然通风装置，所以参考喷射器相关文献，从中决定模型的主要设计参数，再决定出良好的通风系统，使室内的抽气效果得以提升质量特性。因本研究的目的为提升自然通风装置的抽气量，故考量的主要对象为由室内抽气的体积流率，故将质量特性(Y)设定为抽气之体积流率。
（五）质量特性
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