大空间建筑自然通风的CFD模拟研究

论文摘要

大空间建筑采用自然通风可同时满足节能环保与人员健康舒适两方面的要求,随着计算流体力学的发展,具备强大计算功能且可视化的CFD技术能够给出大空间任一点上的温度和速度等参数值,为通风方案的评估提供了准确的定量依据,因此是大空间气流分析的有效工具。本文以某地大空间建筑为研究对象,采用CFD技术对其室内自然通风环境下的温度场与速度场进行数值模拟。本文根据建筑实体使用GAMBIT软件建立了几何模型,考虑到大空间建筑外形复杂,采用分区划分网格的方法将每个子区域用非结构化网格进行划分,数值模拟使用FLUENT软件,紊流模型为标准K-epsilon双方程模型,用有限容积法离散计算区域,并使用一阶迎风格式,速度-压力藕合采用SIMPLE算法,在计算时综合考虑了太阳辐射、人员和水面蒸发散热等多种传热过程,并着重分析了太阳辐射热对室内热环境的影响。通过对该建筑的巨大的玻璃屋顶进行模拟比较,讨论了热反射玻璃与双层镀膜玻璃两种不同材质的节能性,在此基础上对春、夏初、盛夏、秋四个时间段典型日的自然通风方案进行了数值模拟,并对结果进行了热舒适性评价。通过模拟结果发现:热反射玻璃吸收的太阳辐射热多,导致室内温度较高,因而大空间建筑的屋顶应采用双层镀膜玻璃;在春季采用方案一消防口及风口1、4送风, 2、3排风的通风方式比采用消防口及风口1送、4排的通风方案更能满足室内热舒适性要求,前者温度比后者低,且前者在1.5米高度截面上平均风速为0.94 m/s,后者为1.56 m/s容易给人造成不舒适的吹风感,所以在春季采用四个风口全开的通风方式较好;秋季同样对两种方案进行比较发现四个风口全开的通风方式室内温度及风速整体比1进4排的方式低,且能满足舒适要求;而夏季室外温度高,采用四个风口全开方式通风时,夏初与盛夏在y=1.5米高度截面处的平均温度分别为27℃与30℃,平均风速分别为0.85 m/s与0.83m/s,因而夏初采用方案四进行自然通风能满足舒适要求,而盛夏时节仅采用自然通风致使室内温度比中性温度26.45℃高,且室内风速低,即使考虑风速对温度的补偿作用也难以达到舒适要求,建议采用风速补偿或空调系统等措施来改善室内热环境。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 自然通风的节能性
• 1.1.2 自然通风的舒适性
• 1.1.3 大空间建筑特征
• 1.1.4 大空间建筑的自然通风运用特点
• 1.2 自然通风的CFD研究手段
• 1.3 自然通风在国内外应用与研究现状
• 1.3.1 自然通风在国内外的研究
• 1.3.2 自然通风在国内外的应用
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 研究对象
• 1.4.2 研究的目的及主要工作
• 2 流体流动数值模拟的基础
• 2.1 流体湍流流动的控制方程
• 2.2 湍流模型及其应用
• 2.3 辐射模型及其应用
• 2.4 控制方程的离散
• 2.5 网格的生成
• 2.5.1 结构化与非结构化网格
• 2.5.2 复杂外形的网格生成
• 3 大空间建筑自然通风及数值求解研究
• 3.1 研究对象
• 3.2 建筑所在地气候条件及自然通风潜力分析
• 3.2.1 地理、气候介绍
• 3.2.2 自然通风潜力分析
• 3.3 网格的划分
• 3.4 边界条件
• 3.4.1 入口边界
• 3.4.2 出口边界
• 3.4.3 屋顶边界
• 3.4.4 地面边界
• 3.4.5 其余壁面边界
• 3.5 计算方法及收敛判断依据
• 3.6 两种不同材质玻璃屋顶的模拟
• 4 大空间自然通风的模拟与结果分析
• 4.1 模拟方案
• 4.2 模拟结果与分析
• 4.2.1 春季通风方案
• 4.2.2 秋季通风方案
• 4.2.3 夏季通风方案
• 5 大空间自然通风热舒适分析
• 5.1 自然通风热舒适概述
• 5.2 适应性模型及适应标准
• 5.3 风速对热中性温度的补偿
• 5.4 大空间建筑自然通风的热舒适区
• 5.5 大空间建筑自然通风的热舒适评价
• 5.5.1 观察点的确定
• 5.5.2 模拟方案观察区的热舒适评价
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献