基于FLUENT模擬的通風(fēng)屋頂流場(chǎng)分析

胡曉蕾　高　巖

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京　100044)

0　引言

近年來(lái)，隨著綠色建筑的大力發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注室內(nèi)環(huán)境的舒適度，建筑節(jié)能日益受到廣泛的關(guān)注。在這樣的大趨勢(shì)下，空調(diào)技術(shù)不斷發(fā)展，而空調(diào)技術(shù)帶來(lái)的能源消耗和“空調(diào)病”等現(xiàn)狀也日益突出。面對(duì)現(xiàn)今能源緊張、節(jié)能壓力增大、空氣品質(zhì)下降、建筑綜合癥等狀況，自然通風(fēng)這一傳統(tǒng)的氣候適宜性技術(shù)開(kāi)始受到人們的青睞[1]。本文首先介紹了通風(fēng)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)、原理等，之后通過(guò)運(yùn)用流場(chǎng)模擬軟件FLUENT來(lái)模擬分析其內(nèi)部的溫度和流速分布。

1　建筑通風(fēng)

1.1　建筑通風(fēng)的目的

建筑自然通風(fēng)的目的主要有兩個(gè):一是使用建筑手法營(yíng)造一個(gè)良好的自然通風(fēng)室內(nèi)環(huán)境；二是采用科學(xué)技術(shù)，使夏季在室內(nèi)人們可以感受到?jīng)鏊居植粫?huì)感覺(jué)潮濕[2]。它在很大的程度上降低人們對(duì)空調(diào)的使用率從而降低電耗，節(jié)約能源。另一方面，自然通風(fēng)又可提供充足的新風(fēng)量，從而改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，降低呼吸道疾病的發(fā)病率。

1.2　自然通風(fēng)的形成原因

自然通風(fēng)包括完全自然通風(fēng)和機(jī)械輔助的人文通風(fēng)。而完全自然通風(fēng)的形成主要由兩個(gè)方面決定，即“壓力差”和“溫度差”。具體來(lái)說(shuō)是風(fēng)速流動(dòng)形成壓力差和墻壁溫度不同造成的室內(nèi)外溫差引發(fā)了室內(nèi)外空氣的流動(dòng)[3]。

1.3　屋頂結(jié)構(gòu)在自然通風(fēng)中的作用

隨著空間高度的上升而溫度越來(lái)越高的現(xiàn)象使得由于高度差帶來(lái)了溫度的差異，整個(gè)建筑物自上而下縱向會(huì)形成一個(gè)類似“豎井”的結(jié)構(gòu)，由溫度的差異來(lái)加速了氣流的運(yùn)動(dòng)，總而言之，概括為就是“溫差產(chǎn)生熱壓，熱壓帶動(dòng)氣流,氣流引發(fā)通風(fēng)”[2]。

2　通風(fēng)屋頂

屋頂作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，尤其是在炎熱的夏季，屋頂?shù)母魺嵝阅軐?duì)室內(nèi)的環(huán)境溫度具有很大的影響。常見(jiàn)的屋頂隔熱措施有:反射涂料屋面、綠化屋面、蓄水屋面、通風(fēng)隔熱屋頂[4]。

2.1　通風(fēng)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)

我國(guó)南部夏季大部分為炎熱多雨的氣候特征，通風(fēng)屋頂作為一種傳統(tǒng)的屋頂構(gòu)造形式，一般有上下兩層結(jié)構(gòu)，下層是主要的通風(fēng)屋面，而上層大多采用輕薄的材料或大階磚，形成通風(fēng)道，其間增添通風(fēng)天橋來(lái)加強(qiáng)換熱，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2　通風(fēng)屋頂?shù)脑?/h3>

通風(fēng)屋頂一方面利用上層的遮陽(yáng)裝置攔截直射到屋頂?shù)奶?yáng)輻射，使屋頂由一次傳熱變成了兩次傳熱，減少了直接屋頂?shù)牡脽崃俊Ａ硪环矫?，通風(fēng)屋面通過(guò)兩層屋面之間的孔隙通道，利用風(fēng)壓和熱壓的作用，將屋面接收的太陽(yáng)輻射熱轉(zhuǎn)移到空氣中，被自然風(fēng)帶走，減少室外的溫度對(duì)室內(nèi)溫度的影響。風(fēng)速越大，帶走的熱量越多，隔熱效果也越好[5]。

3　軟件建模

3.1　物理模型

通風(fēng)屋頂?shù)某叽鐬? 300 cm×800 cm,上層屋頂和下層屋面之間的距離(即夾層高度)為50 cm，通風(fēng)橋的高度為90 cm，通風(fēng)橋的寬度為60 cm,邊緣距通風(fēng)橋130 cm,中間每?jī)蓚€(gè)通風(fēng)橋的距離為200 cm，設(shè)定此物理模型為模型1，如圖2所示。之后為了研究通風(fēng)橋的個(gè)數(shù)及間距對(duì)溫度計(jì)風(fēng)速的影響，減少通風(fēng)橋的個(gè)數(shù)，設(shè)置物理模型2，如圖3所示，與第一個(gè)區(qū)別在于其邊緣與通風(fēng)橋的距離為260 cm,中間每?jī)蓚€(gè)通風(fēng)橋的距離為300 cm。采用FLUENT軟件建模，選取單元網(wǎng)格尺寸為50 mm。

自然風(fēng)從左側(cè)風(fēng)口進(jìn)入，由后側(cè)出風(fēng)口和通風(fēng)橋的出風(fēng)口出風(fēng)，選取進(jìn)口的室外風(fēng)速為5 m/s，溫度選取南方夏季常見(jiàn)氣溫30 ℃。選取通風(fēng)屋頂?shù)纳仙w面溫度為50 ℃。湍流模型選取k-ε兩方程模型，能量方程采用二階離散，迭代次數(shù)為1 000次。

3.2　模擬結(jié)果及分析

3.2.1模型1模擬結(jié)果及分析

圖4是模型1中y=0平面的溫度分布圖。其溫度變化區(qū)間為303 K～309 K，由進(jìn)風(fēng)口直到最右側(cè)出風(fēng)口的溫度呈現(xiàn)較為均勻的層狀分布，溫度穩(wěn)步云圖呈現(xiàn)向右側(cè)凸出的形狀，凸出的形狀由左向右逐漸減弱。

圖5是模型1中y=0平面的流速分布圖。其流速變化區(qū)間為0 m/s～5.56 m/s，流速隨著風(fēng)的流動(dòng)逐漸減弱，速度分布云圖呈現(xiàn)大塊形層狀分布。

3.2.2模型2模擬結(jié)果及分析

圖6是模型2中y=0平面的溫度分布圖。其溫度變化區(qū)間為303 K～307 K，通風(fēng)橋?qū)囟鹊姆植驾^為明顯。

圖7是模型2中y=0平面的流速分布圖。其流速變化區(qū)間為0 m/s～5.6 m/s，左半側(cè)的速度變化較為明顯，右半側(cè)變化較弱。

4　結(jié)語(yǔ)

1)速度的變化較溫度的變化更為明顯，且梯度較大。流動(dòng)帶走了大部分的熱量，使得流速快的地方溫度較低。

2)在通過(guò)通風(fēng)橋時(shí)，部分風(fēng)量通過(guò)通風(fēng)橋流出，此處氣流擾動(dòng)較大，換熱強(qiáng)烈，在通風(fēng)橋處溫度出現(xiàn)變化梯度較大的階躍。

3)通風(fēng)橋的個(gè)數(shù)越多，流速區(qū)間越小，溫度范圍越廣，主流流速減弱的越快，溫升也越快。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鐸.屋頂在建筑自然通風(fēng)中的應(yīng)用淺析[J].民營(yíng)科技,2009(7):213.

[2]陳冠州.淺析現(xiàn)代建筑屋頂與建筑物自然通風(fēng)設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2014,33(5):161-162.

[3]王戰(zhàn)友.自然通風(fēng)技術(shù)在建筑中的應(yīng)用探析[J].建筑節(jié)能,2007(7):20-23.

[4]顧盛,蔡俊華,陳佳,等.基于CFD模擬的通風(fēng)屋頂隔熱性能分析[J].工程質(zhì)量,2016,34(9):18-21.

[5]李小華,唐景立,林道光.架空通風(fēng)屋頂氣流流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑節(jié)能,2013,41(6):5-7.