基于ngk-湍流模型的中庭自然通风分析

基于ngk-湍流模型的中庭自然通风分析

1中庭对人的生理和心理健康的影响自然通风是人们可以享受的通风方式。除了传统空调系统的使用和能耗的降低外，重要原因之一是它有利于人体的生理和身心健康。中庭是我国传统建筑的精髓,在建筑设计中具有组织自然通风的功能。中庭通过开敞的顶部引入阳光、空气等自然元素,结合植物、水体形成舒适的微气候,体现了人工空间和自然空间的有机结合。2中庭建筑的发展历程现代中庭建筑是19世纪20年代至70年代在欧洲流行起来的,它是工业革命使得预制结构和玻璃大量用于建筑之中的结果。随着社会的发展,目前新的建筑理念认为城市和建筑设计的目的是为了向人民提供娱乐、交际和相互沟通的场所,在这一思想指导下中庭建筑随着时代的进步得到了迅速广泛的发展。中庭开敞的顶部与外界直接接触,就使得院内空气时刻受到外界空气扰动,且扰动的方式和大小均不相同,成三维特性。2.1从“竖井”到“改井”由流体静力学的基本原理可知,大气压力与所处位置高度有关,而且,如果空气的温度不一样,由于空气密度不同造成压力也不同。对于多层建筑,设室内温度高于室外温度,则室外空气从下层房间的外门窗缝隙或开启的洞口进入室内,经内门窗缝隙或开启的洞口进入楼内的垂直通道向上流动,最后经上层的内门窗缝隙或开启的洞口和外墙的窗、阳台门缝或开启的洞口排至室外,这就形成了热压作用下的自然通风,也就是所谓的“烟囱效应”。当室内存在贯穿整幢建筑的竖井空间时,就可利用其上下两端的温差来加速气流,以带动室内通风,其实质就是“温差——热压——通风”的原理。作为建筑共享空间的中庭就可以胜任这个“竖井”的职能,一般来说,其所占空间比例以超过整幢建筑的1/3为宜,这种中庭的屋顶一般都具备两项功能:它们能让阳光射入中庭,将中庭内空气加热并产生上下温差;它们是全部或局部可开启的,在需要通风时能让气流找到出口。2.2太阳x射线辐射中庭建筑的热特性由于中庭建筑通常有很大的玻璃幕、屋顶,室内环境受室外环境(尤其是太阳辐射)影响强烈,中庭空间有很大的垂直温度梯度。屋顶下的空间全年温度都很高,工作区相对较凉爽。随着朝向的不同,中庭建筑在不同的时间、不同的季节所接受的太阳直射辐射也有所不同。由于太阳高度角、方位角的变化,暴露在直射阳光下的地板和墙壁接受到的太阳直射辐射时间和强度也会发生变化,这对中庭的热环境影响很大。中庭建筑中心的空气流动是层流向紊流的过渡状态(低雷诺数),这是由于:(1)稳定的浮力作用,稳定的热分层衰减了垂直方向的湍流,相反,不稳定的热分层则加强了紊流;(2)中庭建筑很大,所以在许多区域,空气几乎是没有湍流影响的,甚至是停滞的。2.3增设密闭空气回收利用中庭建筑空气环境每平方米地板面积的房间容积大,这导致了大的通风换气量。由于中庭空间较高,热(温度)分层现象极易发生,由于浮力作用,污染空气会逐渐上浮,清洁空气留在较低的工作区,这形成了优良的通风效率和清洁的工作区环境。绿色植物可产生氧气、去掉空气中的异味和某些污染气体。3热环境值的模拟3.1温度和风速变化上海地区的气候特点是夏季高温高湿,夏热冬冷,四季分明,最热月平均温度27.8℃,相对湿度为83%,气温日较差为6.9℃,极端最高气温为38.9℃,西向室外综合温度最高可达50.1℃,夏季室外平均风速为3.2m/s。3.2楼高35m,高4m在CFD软件中,将中庭建筑模型简化为图1所示。长、宽、高分别为80m、50m、12m,楼高三层,每层都有宽1.5m的回廊,四周的进排气均由中庭四周透过教室的窗户实现,每扇窗宽2m,高2.5m。数值模拟的为中庭的内部热环境。定义X轴正方向为南,Y轴正方向为东。3.3微织构模型的建立中庭模型内流场的形成属于有限空间内的自然对流换热与传质问题。自然对流是由于流体内部的温度差或浓度差引起密度差,在重力场或其它力场作用下形成浮生力引起的。内流场核心区域属于紊流状态。本文采用较基本k-ε模型改进的RNGk-ε模型,主要优点有:(1)RNGk-ε模型在ε方程中加了一个条件,有效的改善了精度;(2)考虑了紊流漩涡,提高了这方面的精度;(3)RNG为紊流Prandtl数提供了一个解析公式,然而标准k-ε模型使用的是用户提供的常数;(4)标准k-ε型是一种高雷诺数的模型,RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动的解析公式,这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。RNGk-ε模型是将非稳态Navier-Stokes方程对一个平衡态作Gauss统计展开,并对脉动频谱的波段作滤波的方法,从理论上导出的高Rek-ε模型。其通用方程形式为:∂∂τ(ρφ)+∂∂xj(ρujφ)=∂∂xi(Γφ∂φ∂xj)+Sφ(1)∂∂τ(ρφ)+∂∂xj(ρujφ)=∂∂xi(Γφ∂φ∂xj)+Sφ(1)式中φ——通用变量uj——速度分量Γφ——为φ的广义扩散系数Sφ——广义源项值得注意的是:(1)包含由于浮力产生的紊流(浮力对k,ε的影响)因为指定了一个非零的重力影响(在OperatingCondition面板下),而且该计算模型又是非等温流动,所以由浮力产生的的紊动能将默认地被包含在k方程中。但是,FLUENT没有默认的将浮力影响包含在ε方程中,这时需打开ViscousModel面板下的FullBuoyancyEffects(全浮力影响)选项,引入浮力对ε的影响。(2)微分粘性修正激活ViscousModel面板下的RNG选项框中的DifferentialViscosityModel选项,该项的功能是可以利用一个计算有效粘性μeff的微分公式来说明低雷诺数的影响。(3)Boussinesq假设研究自然对流换热时,必须考虑流体密度随温度的变化,在这样的情况下,连续性方程、动量方程及能量方程互相耦合求解十分复杂。为便于处理由于温差而引起的浮升力项,常常采用Boussinesq假设。重力项中的密度可表示为:ρ=ρ0[1-β(T-T0)](2)3.4边境条件3.4.1气象参数修正中庭热环境模拟中,入口边界定义为南向主导风进入南窗的速度进口。其中入口风速服从指数分布:u=u0(zz0)a(3)u=u0(zz0)a(3)式中u——z高度处的风速,m/su0——参考高度处的风速,m/sz——距地面的高度,mz0——参考高度,ma——反映地面粗糙程度的常数,a=0.2由于气象台(a=0.16)与高层建筑(a=0.2)所处的地区可能不同,所以应该对风速进行修正。根据气象学原理,修正后可以得到u=0.533uiz0.2,ui为气象台预报风速。进口速度需考虑风进入教室后流出教室窗口的速度衰减,此处定义为30%。3.4.2出口限制中庭四周除南面外的窗户均定义为出口,设为压力出口边界条件。中庭顶部的出口定义为自由射流。3.4.3近壁面的粘度支层地面由于受地底土壤调节作用,温度变化不大,此处地面边界条件视作恒温处理,T=33℃。四周壁面考虑浮力产生的紊流中近壁面的粘性支层,采用标准壁面函数处理(standardwallfunction)。北面壁面由于受到南面阳光照射,需考虑由于辐射影响的热流,此处定义为恒热流密度。其大小确定如下:q=ρI=56.7W/m2式中ρ——墙面吸收系数,取ρ=0.7I——日平均太阳辐射强度,W/m2,I=81W/m2回廊壁面均为绝热壁面(Wall,q=0)。3.5结论分析3.5.1中庭近地面和近壁区域温度特征在上述边界条件下,图2为中庭中部温度场分布情况。由图中可以看出:(1)中庭大部分区域处在27℃这一较温度恒定的环境中;(2)中庭近地面处的温度略高,接近30℃;(3)中庭北面受太阳辐射作用,近壁处温度较高;(4)中庭近回廊部分区域,温度随楼层高度增高而降低,北面最为明显,但南面无明显变化。图3反映了四周回廊内的温度场情况:(1)东、西部回廊的北端温度较高;(2)东西部和北部回廊内均有温度间隔分布现象,但温差不大,且上部楼层高温区覆盖域远小于下部楼层,南部回廊无明显温度间隔分布现象。3.5.2模拟结果的温度效率计算温度效率是指总余热量与工作区聚集的余热量的比值。温度效率大,表示单位质量送风的有效除热能力越强。温度效率反映的是温度梯度,即室内的热力分层特性。由此可见,温度效率是一个直观可靠的评价指标,所以把温度效率作为其中一个重要评价指标。η=(tp-t0)/(tn-t0)(4)式中tp、t0——排、送风温度,Ktn——工作区平均温度,K本模拟结果tn=300.63K,tp=300.72K,t0=300K,η=1.16。有效热量系数m=1/η=0.86。3.5.3中庭内静压分布本算例中,室外环境大气压力为101325Pa,数值模拟时的操作压力也为101325Pa,根据中和面的定义,中和面即为静压为零的面。图4为中庭中部静压分布,中和面高度为4.5m,远高于人在中庭内部的工作区域高度。图5为中庭中部速度矢量(X-2),图6为中庭中部速度场(Y-2)。3.5.4空气流动与分布(1)由于热压作用,从南面引入的空气下沉至中庭底部并以自然对流方式上升,气流将热量带入中庭底层,并且近地面处空气流动较慢,造成了近地面处温度稍高。(2)北部墙面受到太阳照射作用,近壁面温度较高。太阳照射同时加热了近壁面处的空气,空气膨胀,不仅存在上下密度差,水平四周也存在,加剧空气流动,一部分绕壁面流动,向东、西压力出口流出,图5中,一部分由楼顶出口流出,使得回廊四周中间层风速较小。(3)由南部引入的空气在风压的作用下,大部分朝北部下出口流向中庭底部,一部分受热压作用直接向上部出口流出,图5。南部回廊温度主要受主导进风影响,温度层分段不明显。(4)图5、6中,中庭内部空气在浮升力的作用下不断上升,并吸卷周围空气,断面不断扩大,到达顶部时,一部分由顶部排出,一部分受限下降,向中庭四周窗户排出。(5)由于回廊的存在和中庭顶部开口效应,使空气上升过程中在回廊壁处绕流,产生湍动,使回廊处温度分布不连续。4不同风力模式下人体感知风速比较热舒适在研究人体对热环境的主观热反应时已被广泛采用在ASHRAE55-1992标准中对热舒适有明确定义,即热舒适是对热环境表示满意的意识状态。自然风的流动一般没有规律,因此可以使人产生新鲜感,只有达到一定的风速时人才会产生爽快感。许多学者对不同环境下不同吹风模式进行了比较详细的研究。Dear和Fountain针对不同使用者对房间气流的感觉进行了详细的讨论,他们对澳大利亚北部12座空调系统办公楼的836名工作人员进行了调查,大多数对周围热环境不满的人,虽然处于ASHRAE55-1992标准定义的舒适环境中,但仍然抱怨气流速度过小,空气有些沉闷,相比之下对由于气流引起的吹风感到抱怨的则要少得多。而环境温度愈高,人体的有感风速就越大。试验结果表明:在15～18℃范围内,测定人体感知风速的最低值为0.2m/s;30℃时人体感知风速的最低值为0.6m/s。图7、8为从中庭进入中庭四周北、西、东窗的速度分布。如图所示,在主导风为南风,风速、温度一定的条件下,由中庭进入窗户的平均风速有0.72m/s,最高可达2.1m/s,大为改善了东、西、北面空气流动情况。平均进风温度为29.5℃。5平均进风温度上述模拟中,中庭顶部为敞开式,空气自由射流,而许多建筑中,中庭顶部用玻璃顶封闭。本模型中,在主导风为南风风速、温度一定的条件下,若顶部采用玻璃顶,考虑192W/m2的辐射热流影响,计算结果由中庭进入窗户的平均风速有0.733m/s,最高达2.16m/s,但平均进风温度略高为31.2℃,各层风速随楼层高度递增,图9、10为顶部封闭时,进入窗口流速分布。回廊内部无明显温度层不连续,平均温度为27.33℃。中庭顶部为敞开式式,中部平均温