建筑幕墙通风数值模拟

摘要本论文主要对某工程幕墙外置格栅的开启门通风进行CFD模拟计算，采用国际先进的流体力学计算方法与理论方法进行分析比较。

关键词 数值模拟、流体动力学、幕墙通风

中图分类号：O313文献标识码： A 文章编号：

1基本方程

建筑幕墙通风普遍采用理论公式计算分析，常规计算方法能够比较正确地分析标准规则的幕墙自然通风，但很难计算分析构造复杂的建筑幕墙，这是因为作用于建筑幕墙的风一般呈湍流流动。流体试验表明，当Reynolds数大于某一临界值时，流动是会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混乱状态。这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化，这种状态称为湍流（turbulent flow），湍流瞬时控制方程如下：

湍流中的脉动现象能够影响幕墙的通风效果，且通风构件布置设计的合适与否也直接决定了幕墙通风设计方案的优劣，因此如构件截面尺寸大小，构件的间距等均需要通过模拟计算分析来加以确定。

2风压计算

垂直于气流方向的平面所受到的风压力，其值是动风压与静风压的总和,即Po=Ps+ WP，根据伯努利方程得出的风－压关系，风的动压为：WP =0.5×ro×V²，此式为标准风压公式。根据国家标准《民用建筑热工规范》GB50176-93附表3.2，可计算出幕墙面受到的大气压强为WP总=101328.025Pa.

3 CFD计算分析

本案例幕墙通风主要依靠铝板开启门的开启与关闭来进行控制。开启门开启宽度的大小与开启门外侧的铝格栅间距大小均会影响到通风量的大小。方案中格栅总开口宽度为145mm，高度为2950mm，竖向格栅的水平间距为28.5mm，竖向方向加设三根副框。初步方案设计假设3种开启状态。状态1：设置格栅,开启门完全开启；状态2：设置格栅,开启门60°开启；状态3：取消格栅,开启门完全开启。

3.1 CFD计算条件

针对以上3种状态进行CFD模拟计算，以状态1（设置格栅,开启门完全开启）为例：取幕墙一个通风单元作为分析对象，横向玻璃左右宽度均取700mm，竖向取2950mm。室外空气压强WP总= 101328.03 Pa。三维模型长6米，宽1.6米，高2.95米，采用GAMBIT程序建模，因格栅与开启门构造复杂,此计算区域按加密的网格形式划分,网格尺寸由中间往两侧逐渐增大，总计产生约46万左右个体三维网格。此尺寸三维空间模型可认为满足本案流体动力学模拟计算的需要。

通过格栅及开启门的空气流动归为内流分析，当雷诺数大于2000时，流场将由层流过渡到湍流状态。边界条件中入口指定为Inlet vent类型，出口指定为Out vent类型；空气密度ρ为1.2225 kg/m3，空气运动粘度viscosity为1.7894e-05m2/s。求解器采用压力-速度耦合SIMPLER算法，其Under-relaxation Factor中的系数如下：Pressure=0.3，Density=0.3，Body force=1，Momentum=0.7。

假定计算域的空气符合连续介质，所有材料均为灰体, 交界面为理想接触，不考虑接触热阻,空气对辐射的吸收为零, 通道内空气密度遵循BoUssinesq假设。采用FLUENT 6.3.26进行模拟计算,计算结果图形见二维速度矢量等值云图（右图）。

从右图可知，以开启门及格栅中间位置的interior face为基面，基面外侧的格栅周围空气形成漩涡状扰动，空气经过格栅的缝隙后，速度逐渐提高，此区域的空气湍流运动明显增强，靠近开启门的室内空气湍流最为剧烈，距离开启门约400mm范围内的空气扰动强烈，明显存在直喷波形湍流现象。

3.2计算结果

状态1~3，单位时间进入室内的空气流量分别为：M1=0.45kg/s，M2=0.38kg/s，M3=0.53kg/s。

4 理论计算分析

4.1理论计算条件

状态1~3下，开启门的通风面积分别为：，，。冬季平均室外风速取V=2.2 m/s，空气密度r=1.2225 kg/m³。

4.2理论计算结果

状态1~3，单位时间内进入室内的空气流量分别为：,,。

5 结果比较

由右图可知，流体动力学计算得到的空气流量（曲线）比理论计算（ABC曲线）的结果要小，这主要是由于幕墙格栅及开启门等构件损耗空气流动的能量所导致，因此需考虑构件的合理布置，以免影响幕墙的通风。开启门在完全开启状态下，设置有格栅的幕墙通风量约为取消格栅的幕墙的85%，因此如需增加通风量，可通过调整格栅的数量，截面尺寸及间距来实现。

6 结论

建筑幕墙通风的前期设计阶段可以采用流体动力学CFD软件计算分析，根据不同条件的计算结果来调整优化设计方案，能够节省成本与时间，是将来建筑幕墙通风设计的发展方向。

参考文献

[1]《民用建筑热工设计规范》GB50176-93

[2]《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003

[3]《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003

[4]《室内空气质量标准》GB/T18883-2002

[5]《计算流体动力学分析》王福军 编著