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严寒地区住宅小区室外风场的数值模拟分析

更新时间  2022-09-15 00:01 阅读
本文摘要:概要:室外气流运动与建筑群规划的人与自然设计,沦为建筑系统节约能源和可持续的生态建筑的最重要方法之一。利用数值仿真的方法,可以得出结论住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物产于的详细情况,对提高人居内外环境意义深远影响。本文针对寒冷地区住宅小区,综合分析室外风环境的影响因素,创建了室外风环境的物理和数学模型,应用于专业CFD软件FLUENT回应特定的流动物理问题,使用适合于它的数值求解,获得三维速度场和压力场,在计算速度,稳定性和精度等各方面达到最佳。

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概要:室外气流运动与建筑群规划的人与自然设计,沦为建筑系统节约能源和可持续的生态建筑的最重要方法之一。利用数值仿真的方法,可以得出结论住宅小区的室外的速度场、温度场及污染物产于的详细情况,对提高人居内外环境意义深远影响。本文针对寒冷地区住宅小区,综合分析室外风环境的影响因素,创建了室外风环境的物理和数学模型,应用于专业CFD软件FLUENT回应特定的流动物理问题,使用适合于它的数值求解,获得三维速度场和压力场,在计算速度,稳定性和精度等各方面达到最佳。

研究指出,用于数值仿真方法对住宅小区的风环境展开评价和探究,不仅对利用建筑布局提高室外环境有明显的起到,而且在的组织较好的室内通风方面也具备一定意义。关键词:住宅小区风场数值仿真FLUENT1章节随着我国寒冷地区低能耗住宅建筑的发展,住宅室内通风换气问题已不容忽视。一般情况下,室内自然通风的构成,既有热压通风的因素,也有风压通风的原因,从自然通风提高室内空气品质角度来看,风压通风对室内气候条件的效果比较显著,故应首先考虑到如何的组织建筑物室外的风压通风来提高室内热环境。

2室外风场的物理模型和CFD数值仿真2.1物理模型哈尔滨市坐落于寒冷地区,冬季持续时间宽,且室内空气质量与室外环境差距较小,故节约能源住宅建筑的通风关键在冬季,本文以哈尔滨地区气象参数中冬季的主导风向和风速为依据,以哈尔滨市泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物作为室外风场仿真对象,分析住宅小区室外风场的气流流动情况。仿真建筑物及其周围四栋楼皆为高度为22m的建筑物,如图1,图中适当地得出各建筑物在泰海小区中的方位及其建筑物布局。为创建数学模型,对物理模型不作以下假设和修改:(1)建筑物外气流产于各不相同来风风速以及风向,建筑尺寸及形状,以及建筑物开口大小和方位。

若开口尺寸大于建筑物正立面积的1/6,三栋建筑可简化为混凝土块。(2)室外气流为风速梯度产于的短距离流范围,据Boussinesq假设,空气一般为粘性不能传输流体。

一次修改为稳态的流场气流流动,考虑到计算机的硬件设备(RAM256M,CPUPⅣ2.4GHz)受限,仅有分析仅次于风速的稳态流场情况。2.2CFD数值仿真FLUENT软件设计基于CFD计算机软件群的概念,针对每一种流动的物理问题的特点,使用适合于它的数值求解,从而高效率的解决问题各个领域的简单流动的计算出来问题。

FLUENT中获取了下列可可供挑选的湍流模型:Spalart-Allmaras模型、标准k-模型、RNG(重组化群)k-模型、可实现k-模型、雷诺形变模型(RSM)和大涡仿真模型(LES)。湍流模型挑选各不相同诸多因素,如流动物理机理、特定类型问题以往的经验、精度级别的拒绝、现有的计算机资源和仿真所用时间等。对于住宅小区这样具备较小的建筑物尺寸和较高的风速的特定条件,室外流动的Re从50.000到100.000变化,为几乎发展流动,因此,使用标准k-湍流模型。参看前人对计算出来仿真区域的经验原作,室外流动模型模拟区域如下:当所侧重仿真的建筑物外表尺寸为1时,仿真区域为绝对优势外侧为建筑物长度的3倍,劣势外侧为建筑物长度的12倍,两侧宽度为建筑物的3倍,高度为建筑物高度的4倍。

几何建模和网格区分使用FLUENT的前置处理器-GAMBIT。建筑物室外风场的来流为哈尔滨地区冬季主导风:风向西南,平均值风速为按10米低处风速3.8计算出来的沿高度递减的梯度风速。海面面、地面及建筑物表面按平滑壁面原作。

方程解法中压力与速度的耦合使用压力耦合的半隐方法(SIMPLE),除压力使用二阶波浪格式展开线性外,其他如动量、流场脉动动能和流场脉动动能力学系统亲率皆使用一阶波浪格式展开线性。图1哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物平面图3结果分析与辩论3.1室外风速矢量场分析为了研究建筑物周围有所不同朝向有所不同高度处的室外气流流动情况,分别计算出来了坐落于44号楼中的两个算例:(1)平面高度5.94m(以地面为基准的送风高度);(2)平面高度19.94m。由图2中的速度矢量产于来看,在西南风向的影响下,建筑物群的西南向建筑物正处于波浪外侧,而东北向建筑正处于背风外侧。

在建筑物群外侧的西北角和东南角以及建筑物群的入口处,速度梯度超过最大值;并在建筑物群背风外侧的西北角和东南角产生背风涡流区。建筑物群外侧,速度沿南向建筑物的变化规律为:由西向东渐渐减小,在建筑物的拐角处超过最大值;速度沿西向建筑变化规律为:由南向北渐渐减小,在建筑物的拐角处超过最大值。

沿西南向建筑物的速度绝对值较小,速度方向变化并不大。在建筑物群外侧,速度沿北向建筑物的变化规律为:40号楼外侧,速度由西向东速度再行变大后变小,在建筑物拐角处皆超过最大值,速度方向再次发生180#176;变化;42号楼外侧,速度大小一直由西向东减小,且速度大小和方向变化较陡峭。

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速度沿东向建筑物的变化为:由北向南速度大小略为有减少,速度方向基本恒定。算例1:平面高度5.94m 算例2:平面高度19.94m图244号楼及其周围4栋建筑物室外风场速度矢量图及等动压线图录:图中网格为■的方位分别是44号楼3单元202、702户南、北向房间方位。在建筑群内,速度大小变化较小,但方向沿围护结构变化很大。

因此,在左右两个马蹄形建筑群内构成了两个强度相近,但转动方向忽略的旋涡。由此可见,在建筑物群外侧拐角等锐缘一处,来流的速度大小和方向都再次发生轻微变化,且在建筑物群背风外侧构成的涡流区内,速度梯度大,风向不平稳。

在建筑物群内,不易构成强度较小的旋涡区。3.2室外风场沿建筑物表面风压分析建筑物正处于大气流场中,由于建筑物形状和空气粘性等因素的影响,使气流速度在建筑物的前后发生变化而引发流体的变化。

当风吹响建筑物正面时,因受到建筑物表面的挡住而在波浪面上产生负压区,气流再行向下转动同时跨过建筑物各侧面及背面,在这些面上产生负压区。因此,当建筑物围护结构不存在开口时,由于压差起到,室内就不会构成自然通风。建筑物周围的压力产于一般来说由无因次风压系数叙述,及建筑物外表面某点的风压与建筑物同高度出来流风压之比。

在对44号楼三单元有所不同平面高度的风压系数及风压值的计算结果中,如表格1右图。建筑物波浪面的风压系数及风压皆随着建筑物高度的减少而减少,且风压从1.6变化到17.77增幅较小;而建筑物背风面则正处于弱的负压起到下,风压系数及风压皆比较较小,风压起到弱。对于西向建筑物,由于其某种程度具备波浪面与背风面风压差大,风压系数变化显著的特征,因此,风压系数及风压变化规律同上。

由此,对于正处于建筑物群波浪外侧的建筑物,沿建筑物横向方向上的风压系数和风压值具备风压差大,风压系数变化显著的特点,因而建筑物低处的通风效果较好。而沿建筑物水平方向上,尽管不存在比较有所不同的风压系数和风压值,但变化规律由对速度场的分析由此可知,亦不存在一定变化规律,即:通风方向皆为由建筑物群外侧到建筑物群内侧,且通风效果强劲。对于建筑物群背风外侧的东向和北向建筑物,融合速度矢量产于和风压产于,采行对个别点的取样分析计算出来由此可知:由于建筑物两侧速度绝对值小,方向变化简单,风压系数和风压沿水平和横向方向变化皆并不大,因此,背风面的东北向建筑物具备通风强度较强,通风方向简单,规律性不显著等特点。

表格144号楼有所不同平面高度的风压系数及风压值44号楼房间朝向通风器高度Z(m)高度Z一处梯度风风速V(Z)(m/s)仿真风速(m/s)动压P(X,Y,Z))(pa)静压P(Z)(pa)风压系数Cp(X,Y,Z)3单元102南向2.842.31.651.830.230.45北向2.842.3-0.350.080.23-0.053单元202南向5.943.092.443.990.40.55北向5.943.09-0.470.150.4-0.053单元302南向8.743.62.845.410.610.55北向8.743.6-0.550.20.61-0.053单元402南向11.544.023.186.790.790.55北向11.544.02-0.910.560.79-0.023单元502南向14.344.393.789.590.950.79北向14.344.39-10.670.95-0.023单元602南向17.144.715.0617.181.11.08北向17.144.71-1.070.711.1-0.023单元702南向19.944.955.3218.991.221.08北向19.944.95-1.130.861.22-0.02综上所述,哈尔滨泰海小区44号楼及其周围4栋建筑物,在冬季为西南向主导风的起到下,即:风向投射线与建筑围护结构法线的交角-风向感应角为45#176;,综合考虑到风场和涡流区的关系,指出感应角较合理,建筑物间距(33.66m1.5H)适合。建筑物群波浪外侧的建筑物通风起到显著,通风方向平稳,且不应根据以上分析合理地布置建筑物周围环境,转变建筑物周围的气流流场,建构较好的建筑物室内外通风环境。

对于建筑物群背风外侧的建筑物,也不应通过数值模拟计算分析,研究前栋建筑物的挡住状况以及周围建筑物,找寻特定环境下的通风特点,采行有所不同的方法和措施,使建筑物室内外取得较好的自然通风环境。4总结对于不受多种因素和条件影响的住宅小区室外环境,以及应用于普遍、功能强大的FLUENT软件,本文仅有分析和应用于了一小部分内容,随着计算机技术的发展,综合考虑到室外太阳辐射、建筑周围绿化等因素将沦为生态建筑环境数值研究的一个新方向,而大涡仿真、必要仿真也将不会应用于的更加多,使数值仿真技术在实际工程应用于中充分发挥最重要起到。

5参考文献1.YiJiang,QingyanChen.Effectoffluctuatingwinddirectiononcrossnaturalventilationinbuildingsfromlargeeddysimulation.BuildingandEnvironment37(2002)379-386.2.JamesW.Axley,StevenJEmmerich,GeorgeN.Walton.ModelingthePerformanceofaNaturallyVentilatedCommercialBuildingwithaMultizoneCoupledThermal/AirflowSimulationTool.ASHRAE2002HI-02-21-43.SamirS.Ayad.Computationalstudyofnatureventilation.Journalofengineeringindustrialaerodynamics82(1999)49-684.孙一坚主编.简要通风设计手册.中国建筑工业出版社2000.25.赵福云,汤广发,周安伟.住宅小区热环境数值分析-风环境的数值仿真.全国暖通空调加热器2002年学术年会论文集(下卷)2002..。


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