建筑物自然通的计算机模拟研究自然通风绕流及窗户开度对效果影响w

1、物自然通风的计算机模拟研究物绕流及窗户开度对自然通风效果的影响-杭州龙碧科技-王力 秦敬轩 潘微* 张维摘要杭州地处亚热带季风气候区，过渡季节较长，温度不同，同时开窗时窗户开度会影响室内通风效果。本研究采用计算流体力学模拟技术(Computational Fluid Dynamics/CFD )，依据风洞实验数据，在固定室内热源的条件下，通过调节窗户开度，验证室内自然通风的效果以及讨论自然通风和机械通风转换机理。通过和实验结果的对比研究表明:采用时间平均紊流处理方法（RANS）模型中的 RNG k- 紊流模型模拟物绕流和实验结果吻合度良好，确认了这种紊流模型用于研究自然通风的可行性。另外对杭州

2、某特定目标进行自然通风 CFD 模拟研究，定量地确认了目标在过渡季迎风面和背风面形成的风压差，最终形成走廊风现象。通过对不同窗户开度通风效果的对比研究，确认了目标在低于 50%窗户开度时，将导致各房间内通风量偏小，CO2 浓度偏高。特别是目标的房间 9、房间10 及房间 12-16 窗户开度至少大于 50%，房间 1-8 及房间 11 窗户开度至少达到 100%才能维持室内的舒适度，同时也讨论了目标在过渡季自然通风和机械通风的转换机理。窗户开度，自然通风，机械通风，CFD，RNG k- 模型，走廊风：1 引言随着的发展，机械通风的方式目前已存在于绝大多数，然而机械通风需要能耗，从节能的角度考虑

3、，在气候舒适的天气尽量不使用机械通风而采用自然通风就是一个很好的选择，因此近年来自然通风在节能中的重要性逐渐凸显，如果能合理有效的利用自然通风来国内外对室内空气质量，则能达到节能和室内空气质量的双重目的。室内自然通风效果研究较广，吸引众多学者采用实验或计算机模拟方法进行研究，得到很多有意义的结论，如：探究不同因素对自然通风效果的影响，其中包括位置、窗户位置等等1-3；分层的自然通风属于置换通风方式，也可以大大户型、提高空气品质4；通过采用自然通风不仅可以提升室内空气质量，而且可以降低机械通风能耗5。但是，目前用计算机模拟技术详细定量分析窗户开度对室内自然通风效果的影响以及讨论自然通风和机械通风

4、转换机理的研究还不多，本文依据风洞实验数据，在固定室内热源的条件下对此进行详细的计算机模拟分析，并通过结果给出一些有参考价值的结论。在自然通风的条件下，室外温度及窗户开度对室内空气质量影响较大，因此本文从这两个角度出发，首先采用开源软件6，对一个标准的 2:1:1洞试验结果进行验证，然后以杭州临平银泰城二楼为目标绕流进行了 CFD 模拟，并用风，研究在过渡季时窗户开1*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层度对自然通风效果的影响，同时考虑室内温度、CO2 等参数来评判室内空气质量，研究窗户开度对室内空气质量的影响及自然通风和机械通风转换的机理。2 模

5、型验证2.1物物理模型本文首先为了验证计算模型模拟自然通风的合理性，选用了如图 1 所示的模型与文献7的实验值进行验证。给定物来流风速呈指数分布:U µ z0.27 ，0.08m、0.08m、0.16m。物长宽高分别为图 1物绕流的物理模型2.2 数值模拟计算域的设定计算域采用了 Liu 和 Niu8建议的大小，如图 2 所示，大小为 20b×13 b×12 b，其中 b 即为的宽度 0.08m。图 2 计算域的大小设置2.3 网格为了设定合理的网格分布，本文参考了 Spalart9的分区方法，将物绕流分为如图 3所示的 Eluer 区、RANS 区、LES 区。

6、其中 Eluer 区占大多数区域，包括远场与来流区域， 如图 3 中的ER(Eluer Region)区域，这些区域涡的影响较小，粘性力较小，因此被称为 Eluer 区；RANS 区域主要为近壁区，如图 3 中的RR(RANS region)区域，这一区域靠近壁面，粘性力占主要作用，因此被称为 RANS 区；LES 区域主要为钝体后面的区域，如图 3 中 FR(FoucsRegion)与 DR(Depature Region)，FR 为流体经过钝体后的尾涡区，这一区域由于剪切作用流2*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层场中存在很多细小的涡，DR

7、区为分离区，由于耗散作用，这一区域的涡比 FR 区域要少。因此，在 Eluer 区(迎风与远场)采用较为稀疏的网格，而在 LES 区(背风)进行了网格加密。图 3 钝体绕流的不同区域在 RANS 区，采用了壁面函数10，y+取值为:30<y+<200。其中 y+可以通过 y+=yu/0 25 0 5得到，u 为壁面摩擦速度，可以通过 u=Ck估计。其网格如图 4 所示:图 4 标准模型网格2.4 边界条件表 1 标准模型的边界条件Outlet： 出口采用了速度出口边界条件:3*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层case boundar

8、yInletOutletUpBuildingGroundFrontBacku拟合曲线(图 5a)速度出口(式 1)滑移(式 2)壁面函数(式 4)滑移(式 3)p零梯度固定值 0零梯度零梯度零梯度k拟合曲线(图 5b)零梯度零梯度壁面函数(式 4)零梯度拟合曲线(图 5c)零梯度零梯度壁面函数(式 4)零梯度ìï¶u = 0, u > 0¶v¶w， = 0,= 0í¶xïî u = 0,u < 0(1)¶x¶x其他值如表 1 中所示。Front/Back： 两侧面采用了滑移

9、边界，垂直于壁面的速度分量设置为固定值 0，其速度分量设置为零梯度。在 Up 面上:¶u = 0 , v = 0 , ¶w = 0(2)¶y¶y在 Front/Back 面:¶u = 0 ， ¶v = 0 ， w = 0(3)¶z¶z其他值如表 1 中所示为零梯度。Building/Ground:壁面处采用了壁面函数，根据+30<yp <300 时，壁面处无量纲速度 u 满足 log 率：Kim 和 Moin11的结论，当 P 点满足u =ln (EyP )u2u3U1+e = tk = t Cm(4)

10、utkky(10)中 Von Karman 常数为 =0.41，对于光滑壁面其壁面粗糙系数 E=9.8.Inlet:此边界为自然风来流边界，在 RANS 中进口速度 u、紊流能量 k 可以直接拟合3 4 k 3 2得到，耗散率则通过公式e = Cm得到，如图 5 所示。其中红点为文献7中的实验值，l实线为根据文献7得到的拟合结果。(a)为进口速度流向 u 的分量(其他分量为 0)，(b)为紊流能量，(c)为计算得到的紊流耗散率。在进口处则为零梯度。(a). 流向的平均速度(b). 紊流能量(c) 紊流耗散率图 5 来流处拟合值与实验值的对比图2.5 计算格式与模型选用本次计算选用 RANS 中

11、的 RNG k- 紊流模型12，这一紊流模型广泛应用于 CFD 计算，4*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层但其在绕流应用中的准确性的验证较少，因此本文结合文献7的实验值，对模型进行了验证。本次计算中对流项采用三阶 QUICK 格式，扩散项采用二阶中心差分格式，时间项采用Eluer 显式推进方法，时间步长 t 为 10-4s。速度耦合采用 PISO 算法，泊松方程采用 GAMG 算法求解，速度修正方程采用 PBICG(预处理双共轭梯度)算法求解，紊流耗散率与紊流能量输运方程同样采用 PBICG算法求解。2.6 计算结果与验证文献7的实验了如图 6

12、 所示的坐标点数据，一共 9 列，每个点代表了此截面上对应的位置，都处于 y/b=0 截面上，本次计算分别对比了这几条线上的平均值。其中 a 为 1-10点所在的直线，同理，b-i 依次类推。图 6 实验选取点的位置结合方柱绕流其斯特劳哈尔数 Sr(fD/U)为 0.13 左右，平均速度以 0.3m/s 计算，计算平均时间需要大于其周期(1/f0.2s)，因此选择计算的平均时间 T 为 0.4s(推进了 4000 步)。图7 为不同模型在 y/b=0 截面上模拟得到的平均速度与图 6 所选实验值的对比图，其中红色方块为实验值，实线为 RNG k- 模型在平均时间 T 内的平均速度值。x 轴为平

13、均时间 T内的平均速度，y 轴为高度 z。从本次计算的数据中选取直线 a-i 的结果，并将计算结果与直线上对应点的实验值进行对比。如图 7，(a)为迎风区的平均速度对比图，RNG k- 模型计算结果与实验值很接近；7(b)、7(c)、7(d)、7(e)为物上部的平均速度对比图，这一区域流体经过物上方会产生分离涡，RNG k- 模型模拟结果在这一区域也基本与实验值吻合；7(f)、7(g)、7(h)、7(i)为的背风区的平均速度对比图，在这一区域 RNG k- 模型的结果与实验值相差较大，特别是在z=0.15m0.2m 时，模拟的平均速度要小于实验值，这是因为 RNG k- 模型对紊流能量采用各向

14、同性的的假定，会过大地估计 物背风区涡的大小，因此在这一范围内计算的平均速度小于实验值。5*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)图 7 平均速度的计算值与实验值的对比图图 8 z/b=0.125（左图）界面与 y/b=0（右图）界面上平均速度图 8 为RNG k- 模型计算的 T 内的平均速度以及流线图。经过时间平均后的流场在建筑背风区为一对对称的涡。经过对比发现采用 RNG k- 模型能基本反映绕流的流场分布情况，特别是迎风区和6*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611

15、 号 2 幢 4 层物上方的计算结果较为准确，因此本文采用这一紊流模型研究自然通风是合适的。3. 杭州银泰城实际应用案例3.1 物理模型本文以杭州临平银泰城为例，如图 9（a）所示，为银泰城实际外观图。本文所研究目标为银泰城商场二楼区域，如图 9（b）中指出的M。以过渡季 5 月份为例，杭州临平银泰城所在环境条件：由气象局数据分析可知，室外温度为 27，来流风向以东南方向为主，各高度来流风速大小遵循 U 的指数变化规律，其中U 由实验得到。U = 2.04 ´ ( H)0.27(5)10式中：U 为来流风速（m/s）；H 为距地面高度（m）。假定研究目标M 内热源仅来源于散热，其室内

16、热源及 CO2 散发量参数如表 2。表 2室内热源及 CO2 散发量参数表(a)frontoutletbuildinginlet东南方向进风back研究目标M(b)图 9 银泰城整体布局图(a) 银泰城实际外观图，(b)为银泰城计算域7*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层A 区（如图 10）人B、C 区（如图 10）人表面温度（）呼吸散热温度（）CO2 轻微运动散发量 m3/(人·h)儿童10032370.0144成人2532370.0173东南方向进风房间 16房间 15房间 14房间房间 124房间1房间2房间3房间4房间 5图 1

17、0房间6房间7房间8房间9房间10房间11研究目标M 几何图其中，1 为墙体；2 为儿童简化；3 为成人简化；4 为前窗户，处于背风面；5 为后窗户，处于迎风面；6 为3.2 网格划分和边界条件区(A 区)；7 为商铺区(B 区)；8 同为商铺区(C 区)。为了使计算结果更加精确，本文将其余与目标M 进行整体化建模及网格划分，由于其结构较复杂，采用非结构网格划分方式，对 M 的墙体、前后窗户及理(如图 11-13)。本模型中边界条件如表 1 所示，为了简化计算，假定恒温热源、其余均为固体绝热壁面。进行局部加为 32内东南方向进风所有图 11 整体网格划分外的整个计算域内最大网格设置为 4000

18、mm；计算域空气如图 11，将、出口最大网格设置为 2000mm、左右面及上下面最大网格为 4000mm。8*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层N东南方向进风M图 12 整体网格划分其中， M 为自然通风研究目标；N 为其余楼房。图 12 中除M 外所有800mm，部分面积较小表面最大网格设置为 1500mm，低层表面最大网格设置为 150mm。表面设置为东南方向进风图 13 自然通风研究目标M 网格划分图 13 中展示了研究目标M 的网格划分，其中由于墙体与墙体之间缝隙较小，避免两墙体上的网格交错，所以将墙体表面最大网格设置为 30mm；各房间

19、房顶和地面最大网格设置为 300mm；各房间内简化的表面最大网格为 80mm；呼出 CO2 出口简化后及出口其余侧面面积最小，其最大网格设置为 1mm；穿过墙体的前、后窗户面上最大网格设置为 5mm；最终计算域网格总数为 4047042 个。4 计算方法4.1 求解过程由于本文最终求得稳态结果，因此定义模型为隐式求解，参照本文第 2 章节中模型验证的结论，选择 RNG k- 紊流模型，为了方便计算，k 与 取图 5（b）（c）中最大值，0.6m2/s2及 1m2/s3。4.2 计算过程窗户开度越大室内自然通风效果越好，间接增强节能效益，但是过渡季节气候条件不9*通讯作者：panwei0711浙

20、江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层同，开度越大，室内舒适度不一定越好。为了研究窗户开度对自然通风效果的影响，本文设置目标的前后窗户开度为 20%、50%、100%三种开窗方案，并分别建立三种几何模型， 通过 CFD 计算，对比分析各开度下目标室内通风量、CO2 浓度及温度等参数变化，以找出最佳工况。三种模型参数如表 3。表 3 三种方案对比表5 计算结果与分析5.1 整体、速度分析速度(m/s):图 14 1.2 米高度速度流线等值线图1*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层方案窗户开度%网格划分室内热源室外温度舒适温度室外CO2

21、浓度 ppm室内 CO2 浓度限制ppm方案一20非结构划分方式、局部加密均为固定壁面温度2725-28400<1000方案二50方案三100速度(m/s):图 15 纵剖面速度流线等值线图整体来流速度按照速度指数的变化规律，由下至上，速度越来越大，达到 10 米高度时， 速度达到最大值 2.04m/s。如图 14、图 15 为 1.2 米高度及纵剖面上速度流线等值线图，来流靠近时受抵挡影响，使部分空气上移至顶部流过，且在较高前，即迎风面上速度由下至上显著增大；另一部分空气则由侧面，即与之间的缝隙流过，导致此缝隙处空气流速较大，易形成风速较大的走廊风。(Pa):图 16 1.2 米高度等

22、值线图(Pa):：图 17 纵剖面等值线图1*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层如图 16、图 17，为 1.2 米高度及纵剖面上等值线图。前，即迎风面上空气流速较小，较高，形成较大正压区，同时越靠近，越大；在较高后和顶部，即背风面上易形成较大速度漩涡，同时形成较大负压。这与文献13中提到的结论一致：利用前后的正负压差，同时若局部留有横向通道，可以使内达到一定的自然通风效果。速度(m/s):(Pa):图 18 研究目标M 内速度等值线图图 19 研究目标M 内等值线图如图 18、图 19 为目标M1.2 米高度的速度及等值线图。M 周围流速及受其

23、余影响，导致后窗(如图 10)处于迎风面，前窗处于背风面，且迎风面较大，背风面较小。打开 M 内各房间窗户，易形成走廊风现象，此时，通过改变窗户开度，便可调节自然通风效果。5.2 研究目标内通风量及 CO2 浓度分析通过取样求得流经研究目标M 各房间窗户截面的平均速度，进一步求得各房间内通风量，如表 4 所示，三种方案均按速度梯度流场持续给风，由于周围影响研究目标建筑 M 的风速风压，流经各房间窗户的平均风速已降至 0.4m/s 以下；窗户开度由 20%增加至100%，窗户通风面积逐渐增加，经计算得到通风量随之增大，间接影响各房间内的 CO2 浓度。如图 20，为三种窗户开度方案的 CO2 浓

24、度等值线图，随着窗户开度增加，目标M室外 CO2 扩散面积增加，由于通风量增加，扩散至室外的 CO2 量增加，使得室内 CO2 浓度降低。当 20%窗户开度时，各房间 CO2 浓度均超过 2000ppm；当 50%窗户开度时，由表 4可以看出各房间通风量成倍增加，室内 CO2 浓度明显降低，然而此时研究目标M 的房间 1-8 及房间 11 内CO2 浓度仍高于 1000ppm，其余房间内 CO2 浓度接近 1000ppm，满足舒适度要求；当 100%窗户开度时，M 各房间的通风量较大，室内 CO2 浓度均低于 1000ppm，但是在研究目标M 的 A 区，即房间 1-6 内较多，同时房间内形成

25、的涡流易导致 CO2堆积，所以，建议 A 区即使在过渡季也使用机械通风。对于其他房间，考虑室内空气质量，研究目标M 中房间 9、房间 10 及房间 12-16 窗户开度应至少大于 50%，房间 1-8 及房间 11 窗户开度至少达到 100%，若室外风速降低，则需转换通风方式采取机械通风。1*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层表 4 各房间通风量表窗户开度%房间 1房间 2房间 3房间 4房间 5房间 6房间 7房间 820501000.1960.490.980.1960.490.980.1960.490.980.1960.490.980.196

26、0.490.980.1960.490.980.0840.210.420.0840.210.42各房间窗户面积m2各窗户平均流速m/s20501000.130.10.110.150.110.140.130.090.120.140.120.150.120.110.140.150.140.180.30.230.310.30.210.23各房间通风量m3/h205010091.7176.4388.1105.8194.0493.991.7158.8423.498.8211.7529.284.7194.0493.8105.8247.0635.490.7248.4468.790.7226.8347.8窗户开

27、度%房间 9房间 10房间 11房间 12房间 13房间 14房间 15房间 16各房间窗户面积m220501000.0840.210.420.0840.210.420.070.1750.350.1380.3450.690.1380.3450.690.1380.3450.690.1520.380.760.070.1750.35各窗户平均流速m/s20501000.320.250.230.30.240.220.380.260.310.180.130.10.160.140.10.160.130.110.190.130.150.210.240.19205010096.8189.0347.890.71

28、81.4332.695.8163.8390.689.4161.5248.479.5173.9248.479.5161.5273.2104.0177.8410.452.9151.2239.4各房间通风量m3/hCO2 浓度(ppm):20%窗户开度50%窗户开度100%窗户开度图 20 研究目标M 内CO2 浓度等值线图1*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层图 21 各房间通风量的变化图如图 21 为不同窗户开度条件下各房间的通风量变化图。由于开度不同，使其通风面积不同，导致通风量不同，20%窗户开度时，房间 6 通风量最大为 108.5m3/h，

29、房间 16 通风量最小为 52.9m3/h；50%窗户开度时，房间 6 窗户开度时变为 247m3/h，房间 7 通风量最大为248.4m3/h，房间 16 通风量仍然最小为 151.2m3/h；100%窗户开度时，房间 6 通风量仍最大为 635.4m3/h，房间 16 通风量仍最小为 239.4m3/h。结合图 18、19，后窗户位置处于迎风面， 房间 6、7 正与来流风向相对，风力较大，风压最小，导致此处风速偏高，通风量最大；100% 窗户开度时，房间 11 的通风速度最大，是因为房间 11 与房间 12 之间处于较大走廊风位置， 导致房间 11 的风速较高，但是其窗户面积相对其他房间较

30、小，所以通风量较小。如图 18、19，房间 16 迎风面（后窗户）处于漩涡区，其风压较小，极易造成风速较小，导致通风量较小。5.3 研究目标内温度分析温度（）：20%窗户开度50%窗户开度100%窗户开度图 22 研究目标M 内不同开度的温度等值线图如图 22，是三种不同窗户开度方案下的温度变化等值线图。由于窗户开度不同，导致经过目标的走廊风不同。由 20%增加到 100%窗户开度，走廊风风量也在逐渐增加，周军莉等14与董等15也提到，开口开度越大，流量系数越大，即通风量越大，走廊风越大，自然通风效果越好。本模型中窗户开度 20%时，走廊风最小，致使内通风量最小，而目标内热源散热量不变，最终导

31、致 20%窗户开度下的室内温度最高，A 区室内局部温度可以达到 27.6，B、C 两区域由于室内面积较小，温度增加较大，局部已超过人体生活适宜温度 28；50%窗户开度下，*通讯作者：panwei0711浙江省杭州市滨江区东冠路 611 号 2 幢 4 层A 区整体室内温度已在 27.6 以下，B、C1三区温度有所；100%窗户开度下，整个目标室内温度均在 27.6以下。因此，室外温度 27时，目标内若要达到适宜温度，研究目标所有窗户开度至少 50%。6 结论为了验证 CFD 模拟自然通风的合理性，本文计算了 2:1:1物绕流并和风洞实验值进行了对比，进而又进行了杭州临平银泰城的结论：物绕流与

32、通风案例的模拟研究，得出了以下1、RANS 模型中的 RNG k- 紊流模型能很好的适用于于实验值，确认可以应用于自然通风研究。2、将 RNG k- 模型应用于杭州临平银泰城的自然通风计算中发现:物绕流的计算，其结果接近a、由于目标坐落在群中，其自然通风除受到内热源影响以外，还受到其周围形成的走廊风影响，使得目标迎风面与背风面形成一定压差，最终形成室内走廊风现象；b、目标室内空气质量，在杭州过渡季节，室外风以东南风为主，风速大小遵循指数变化规律时，低于 50%窗户开度会导致各房间内通风量较小，CO2 浓度较高，因此研究目标的房间 9、房间 10 及房间 12-16 窗户开度至少大于 50%，房

33、间 1-8 及房间 11 窗户开度至少达到 100%，才能保证室内 CO2 浓度符合室内限值要求（<1000ppm）；c、在杭州过渡季节 5 月份，室外空气来流温度达到 27，研究目标内若要达到适宜温度，窗户开度必须在 50%以上。在自然通风不满足室内舒适条件时，必须考虑切换成机械通风模式。综上所述，在杭州过渡季时期，一定风速情况下的自然通风通过调节窗户开度，可以达到较好的自然通风效果，若室外温度过高、室外风速降低时，则需转换为机械通风。另外，本文仅探讨了杭州过渡季 5 月持续一定风速时，窗户开度对室内自然通风效果的影响，更详细的自然通风讨论，如脉动风速、变换风向及开窗位置、今后的研究中

34、进行综合分析。布局等因素的影响，还需要在注：本为龙碧科技参与自然通风设计标准编制工作的部分研究内容，此标准由湖南大学张国强教授的编制组编制，在此特别感谢编制组相关及组织。参考文献1 P.A. Favarolo,H. Manz. Temperature-driven single-sided ventilation through a large rectangular opening J.Building and Environment.2005,40(5):689-699.234吕书强.窗户位置和对住宅室内自然通风的影响及效果评价D.大学, 2010.朱柯,杨家明,郑昌金,刘乘铭.自然通风与节能分析J.科技展望, 2017, 27 (21):30.张兵,耿世彬,彭关忠等.不同通风方式对室内空气品质的影响研究C.江苏省暖通空调制冷 2005 年学术年会林波荣,肖娟.我国绿色集.2