趙福云，申 廣，劉科君，王漢青，寇廣孝

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

多門(mén)窗建筑廣泛用于廠房、教學(xué)樓及體育館等公共建筑，具有數(shù)量多、類(lèi)型廣、更新快等特點(diǎn)，公眾越來(lái)越重視其自然通風(fēng)的情況。以體育館為例，隨著體育文化的迅猛發(fā)展，老舊體育館現(xiàn)有功能設(shè)置與市民需求間的矛盾逐漸顯露出來(lái)。體育館建筑功能更新指體育建筑在使用過(guò)程中，基于外部要求、內(nèi)部客觀實(shí)際而對(duì)自身功能定位、構(gòu)成、空間和細(xì)部進(jìn)行重新整合。通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，體育館如果全年開(kāi)啟空調(diào)，能耗太大。體育館室內(nèi)空調(diào)使用率較低，一般在過(guò)渡季節(jié)和冬季都不使用，所以有必要根據(jù)自然通風(fēng)情況，結(jié)合體育館發(fā)展需求及自身特點(diǎn)，探尋影響其自然通風(fēng)的因素，借鑒國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀案例實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)理念，探索體育館建筑更新方法。

近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的高速發(fā)展，在暖通空調(diào)應(yīng)用中采用CFD技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)氣流組織、優(yōu)化設(shè)計(jì)，已成為普遍趨勢(shì)。自然通風(fēng)主要有以下兩種方式：風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)是由建筑周?chē)娘L(fēng)壓差引起的，建筑周?chē)拈_(kāi)口可以讓氣流貫穿整個(gè)建筑。熱壓通風(fēng)則是由進(jìn)出口的溫度不同而導(dǎo)致的一定方向上的浮力引起的。本文利用CFD技術(shù)，針對(duì)有較多門(mén)窗的建筑，對(duì)其風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并通過(guò)與相關(guān)論文結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模擬方法的可靠性[1]，以期為多門(mén)窗建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 多風(fēng)口建筑通風(fēng)模型

1.1 物理模型

考慮到建筑復(fù)雜的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，如果模型過(guò)于復(fù)雜，網(wǎng)格劃分將十分困難，并且會(huì)大大增加運(yùn)算時(shí)間。因此，在保證結(jié)果盡量接近真實(shí)情況的前提下，課題組對(duì)多門(mén)窗建筑的構(gòu)造進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。最終模型及計(jì)算域如圖1所示。

圖1 多門(mén)窗建筑簡(jiǎn)化模型Fig.1 A simplified model of a building with multiple windows and doors

課題組研究了實(shí)際尺寸為10 000mm×5 000mm×5 000mm（包括屋頂高度）的廠房?jī)?nèi)部及周?chē)臍饬鹘M織狀況，考慮風(fēng)壓貫流通風(fēng)的情況，熱壓通風(fēng)暫不在本文的討論范圍之內(nèi)。建筑四周共有10個(gè)方形門(mén)窗，尺寸均為1 200mm×800mm。窗戶(hù)中心距離地面的高度均為3 750mm，且同一個(gè)面上相鄰兩個(gè)窗戶(hù)之間的距離均為1 250mm。本文研究門(mén)的大小對(duì)建筑室內(nèi)通風(fēng)流場(chǎng)的影響。用Φ表示門(mén)墻面積之比，考慮Φ=7.8%,12.8%,20.0% 3種情況，分別記為模型1、模型2及模型3，模型如圖2所示。

圖2 多門(mén)窗建筑具體模型Fig.2 A specific model of a building with multiple windows and doors

1.2 計(jì)算模型

ANSYS ICEM CFD（the integrated computer engineering and manufacturing code for computational fluid dynamics，ICEM CFD)[2-3]是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分軟件，不僅可以為主流CFD軟件（如FLUENT）提供高質(zhì)量網(wǎng)格，而且還可以為CAE軟件提供前處理，ICEM CFD是現(xiàn)在市場(chǎng)上六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格最強(qiáng)大的生成工具，在建模過(guò)程中可以生成必要的幾何元素（點(diǎn)、線、面），能夠自動(dòng)檢測(cè)修補(bǔ)模型中存在的非封閉部位。該軟件將幾何文件和塊文件分別保存，當(dāng)幾何模型發(fā)生輕微變化時(shí)，只需要稍微改變映射關(guān)系就可以完成網(wǎng)格生成工作。此外，ICEM CFD還自帶網(wǎng)格裝配功能，可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型網(wǎng)格之間的裝配，尤其是對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，可以大大減少工作量。對(duì)于三維幾何體，ICEM CFD可以實(shí)現(xiàn)四/六面體混合網(wǎng)格，在平坦的面上自動(dòng)生成六面體單元，在面的交線處自動(dòng)生成金字塔單元。該軟件采用先進(jìn)的O型網(wǎng)格技術(shù)，可以顯著提高曲率較大處網(wǎng)格質(zhì)量，特別適用于外部繞流問(wèn)題。

本文主要使用ICEM CFD進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，依照已定建筑尺寸采用CAD軟件建立三維幾何模型，再導(dǎo)入ICEM CFD軟件建立基本的物理模型后，選用貼體性較好的四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元對(duì)其空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口以及建筑壁面處進(jìn)行局部加密處理。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 不同模型的網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 A schematic diagram of grid partition of different models

2 計(jì)算流體力學(xué)方法

目前研究自然通風(fēng)的方法有多種，比如實(shí)驗(yàn)研究、使用CFD的數(shù)值模擬方法以及理論研究等。

研究自然通風(fēng)建筑流體流動(dòng)特性最普遍的方法是實(shí)驗(yàn)法，參考文獻(xiàn)[4-10]就采用了該方法。J.P.Cockroft等[4]提出了只有一個(gè)開(kāi)口允許氣流進(jìn)入的理論模型，通過(guò)測(cè)量這個(gè)模型的風(fēng)壓通風(fēng)來(lái)預(yù)測(cè)氣流特性。E.D.Dascalaki等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了52種單側(cè)自然通風(fēng)的不同工況，并與通風(fēng)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出了一個(gè)預(yù)測(cè)單側(cè)自然通風(fēng)空氣流動(dòng)速率的新模型。E.D.Dascalaki等[6]在參考文獻(xiàn)中，做了4組單側(cè)風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)，使用示蹤氣體衰減法得到了開(kāi)口處的平均空氣交換率。P.S.Carey等[7]采用通風(fēng)率的風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)研究了3種不同工況，探究自然通風(fēng)設(shè)計(jì)的合理性。Jiang Y.等[8]考慮使用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)研究單開(kāi)口小型建筑模型的通風(fēng)現(xiàn)象。S.Murakami等[9]在風(fēng)洞中仔細(xì)測(cè)量風(fēng)速、壓力和通風(fēng)率等指標(biāo)，用以分析貫流通風(fēng)特性。M.Ohba等[10]使用能夠測(cè)量不同方向分速度的分離影像探測(cè)器，探究了貫流通風(fēng)模型的內(nèi)部氣流特性。

[11-13]均使用CFD的數(shù)值模擬方法，G.M.Stavrakakis等[11]不僅在試驗(yàn)箱中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，還使用CFD數(shù)值模擬技術(shù)研究了開(kāi)口在不對(duì)稱(chēng)位置情況下的自然貫流通風(fēng)。李林等[12]利用計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)不同熱源位置下的單側(cè)雙開(kāi)口室內(nèi)熱壓自然對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行研究。肖婷等[13]對(duì)變截面風(fēng)管管內(nèi)以及出風(fēng)口處的氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

參考文獻(xiàn)[14]使用理論研究的方法，Zhang J.H.等[14]研究壓力校正方程的穩(wěn)態(tài)換流方案在自然對(duì)流室中的應(yīng)用。

本文使用CFD數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，其中FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序包，是CFD數(shù)值模擬的工具，可以處理ICEM劃分的網(wǎng)格mesh文件，F(xiàn)LUENT還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種自適應(yīng)型網(wǎng)格對(duì)于求解具有較大梯度的流場(chǎng)具有重要意義，而且該網(wǎng)格的自適應(yīng)只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，所以可以節(jié)省大量時(shí)間。

CFD的數(shù)值模擬方法相比于其他研究自然通風(fēng)的方法，有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗転槿叨饶Ｐ蛯?shí)驗(yàn)提供一種既節(jié)約成本又精確的選擇，同時(shí)，它也能快速改變?nèi)魏我粋€(gè)模擬的變量或參數(shù)。正因?yàn)榫邆淞诉@些優(yōu)勢(shì)，CFD數(shù)值模擬方法才在自然通風(fēng)研究中被廣泛地使用。本課題組采用CFD數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，并且利用FLUENT軟件建模、劃分網(wǎng)格及計(jì)算。

然而，國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于多門(mén)窗建筑自然通風(fēng)的研究成果和實(shí)踐，偏重于工程實(shí)例的說(shuō)明、新技術(shù)的應(yīng)用等，以設(shè)計(jì)理念、技術(shù)結(jié)構(gòu)及節(jié)能利用等研究為主，對(duì)多門(mén)窗建筑生態(tài)化發(fā)展和建筑物理環(huán)境、建筑綠色技術(shù)的應(yīng)用等問(wèn)題的研究還處于起步階段，對(duì)于既有多門(mén)窗建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略研究較少。同時(shí)自然通風(fēng)的研究受到氣候條件的限制，自然通風(fēng)只在一些有特定限制的氣候條件下才有效。因此，本文對(duì)于多門(mén)窗建筑風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的研究，有一定的實(shí)用性和研究意義。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

采用Tecplot 360軟件，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化的處理。FLUENT自帶的后處理軟件已經(jīng)較為全面，但通常還需要專(zhuān)業(yè)的繪圖軟件做進(jìn)一步處理，Tecplot是Amtec公司推出的一款功能強(qiáng)大的后處理軟件，提供多種繪圖格式的2D/3D面繪圖、3D體繪圖。該軟件針對(duì)FLUENT設(shè)有專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)接口，可直接讀取cas和dat文件，可以顯示流域的壓力、速度分量、污染物濃度、湍流動(dòng)能等分布情況，在單機(jī)使用鼠標(biāo)可直接知道流場(chǎng)中任意點(diǎn)的數(shù)值大小，能夠隨意增加和刪除指定的等值線，可以導(dǎo)出BMP、FLASH、AVI、JPEG等常用文件格式。

3.1 送風(fēng)均勻性分析

入口風(fēng)速為2 m/s時(shí)的速度矢量如圖4所示。圖4中，左下角的門(mén)窗為進(jìn)風(fēng)口，其他的門(mén)窗均為出風(fēng)口，當(dāng)入口風(fēng)速為2 m/s 時(shí)，背風(fēng)面的通風(fēng)口出乎意料地作為進(jìn)風(fēng)口而不是出風(fēng)口，這可能是由于側(cè)面的通風(fēng)口過(guò)大，使得大部分從迎風(fēng)面流進(jìn)的空氣從側(cè)面的通風(fēng)口流出，使得背風(fēng)面通風(fēng)口流出的空氣流量過(guò)小。當(dāng)側(cè)面的通風(fēng)口全部關(guān)閉時(shí)，入口風(fēng)速為2 m/s時(shí)的速度矢量圖如圖5所示。

圖4 入口風(fēng)速為2 m/s時(shí)不同模型的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of different models at an inlet speed of 2 m/s

圖5 無(wú)側(cè)面通風(fēng)口入口風(fēng)速為2 m/s時(shí)的速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of an inlet velocity of 2 m/s without the side vent

當(dāng)側(cè)面沒(méi)有通風(fēng)口時(shí)，由圖5顯示出，背風(fēng)面的通風(fēng)口由進(jìn)風(fēng)口轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲲L(fēng)口。當(dāng)側(cè)面的通風(fēng)口全部打開(kāi)時(shí)，入口風(fēng)速為10 m/s的速度矢量圖如圖6所示。

圖6 入口風(fēng)速為10 m/s時(shí)的速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of an inlet velocity of 10 m/s

圖6中入口風(fēng)速為10 m/s 時(shí)，背風(fēng)面的通風(fēng)口作為出風(fēng)口，而側(cè)面的通風(fēng)口風(fēng)速隨著入口面積加大而變大，而且基本上是均勻分布的。

3.2 壓力系數(shù)分析

入口風(fēng)速為2 m/s時(shí)的壓力云圖如圖7所示。

圖7 模型1入口風(fēng)速為2 m/s時(shí)的壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram of model one with an inlet velocity of 2 m/s

圖7顯示，建筑內(nèi)部的壓力變化范圍非常小，然而，室內(nèi)靠近壁面處的壓力比室內(nèi)中間區(qū)域的壓力相對(duì)要大一些。壓力系數(shù)分布狀況表明：在所有通風(fēng)口都開(kāi)啟的情況下，迎風(fēng)面作為進(jìn)風(fēng)口最為合適，而其他通風(fēng)口都應(yīng)當(dāng)作為出風(fēng)口，這樣最有利于提升室內(nèi)空氣換氣次數(shù)。

4 計(jì)算模型校驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的可靠性和正確性，課題組將模擬結(jié)果與T.Kobayashi等在文獻(xiàn)[15]中的原始結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖8為文獻(xiàn)[15]中的建筑模型及尺寸。

圖8 文獻(xiàn)[15]中的建筑模型及尺寸Fig.8 Building models and dimensions in [15]

文獻(xiàn)[15]中的建筑模型及尺寸與文中Φ=7.8%,12.8%,20.0% 3個(gè)模型類(lèi)似，因此，課題組使用參考文獻(xiàn)[15]給出具體的算法、初始條件、邊界條件等，如圖9所示。

圖9 文獻(xiàn)[15]中的CFD分析綜述Fig.9 Summary of CFD analysis in [15]

文獻(xiàn)[15]中無(wú)量綱速度通過(guò)CFD在垂直剖面上的分布如圖10所示。與文中入口邊界條件速度為10 m/s的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖10 文獻(xiàn)[15]中無(wú)量綱速度通過(guò)CFD在垂直剖面上的分布Fig.10 Distribution of dimensionless velocity through CFD on the vertical profile in [15]

文獻(xiàn)[15]模擬結(jié)果中顯示，靠近壁面的區(qū)域速度較小，而遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域速度較大。鑒于論文在研究建筑自然通風(fēng)特性的內(nèi)容重點(diǎn)在于建筑模型室內(nèi)的速度分布特點(diǎn)，因此，室外的數(shù)值模擬結(jié)果中某些速度分布可以忽略不計(jì)；然而，在室內(nèi)的模擬結(jié)果得到了較好的驗(yàn)證。同時(shí)，網(wǎng)格數(shù)太密或者太疏都可能產(chǎn)生誤差較大的計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)在一定范圍內(nèi)的結(jié)果才與實(shí)驗(yàn)值接近，本文在劃分網(wǎng)格時(shí)首先依據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)大致劃分一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，然后酌情加密或減少網(wǎng)格，再進(jìn)行計(jì)算并與前一次計(jì)算結(jié)果比較，加密網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小（大約在2%左右），而減少網(wǎng)格對(duì)結(jié)果影響較大，說(shuō)明本文網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果是可信的。所以認(rèn)為模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果相符，研究風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)的理論及方法是可靠的。

5 結(jié)論

主要探討了風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的多門(mén)窗建筑室內(nèi)自然通風(fēng)流動(dòng)過(guò)程，揭示了內(nèi)部壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及流場(chǎng)的分布狀況。根據(jù)模擬分析結(jié)果，可得如下結(jié)論：

1）通過(guò)速度分布圖顯示，當(dāng)存在側(cè)面通風(fēng)口時(shí)，背風(fēng)面的開(kāi)口可以做為進(jìn)風(fēng)口；當(dāng)側(cè)面通風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，背風(fēng)面通風(fēng)口通常為出風(fēng)口。

2）建筑室內(nèi)風(fēng)速隨著進(jìn)口風(fēng)速增大而線性增大；當(dāng)入口風(fēng)速為10 m/s時(shí)，背風(fēng)面的通風(fēng)口已經(jīng)轉(zhuǎn)為出風(fēng)口。

3）壓力系數(shù)分布狀況表明，在所有通風(fēng)口都開(kāi)啟的情況下，迎風(fēng)面作為進(jìn)風(fēng)口最為合適，而其他通風(fēng)口都應(yīng)當(dāng)作為出風(fēng)口，這樣最有利于提升室內(nèi)空氣換氣次數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]PATANKAR S V.Numerical Heat Transfer and Fluid Flow[M].Washington D.C.：Hemi，1980：1-11.

[2]朱紅鈞.FLUENT 15.0 流場(chǎng)分析實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：人民郵電出版社，2015：1-20.ZHU Hongjun.FLUENT 15.0 Analysis of the Actual Flow Guide[M].Beijing：Posts & Telecom Press，2015：1-20.

[3]丁 源，王 清.ANSYS ICEM CFD從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：10-50.DING Yuan，WANG Qing.ANSYS ICEM CFD from Entry to Master[M].Beijing：Tsinghua University Press，2013：10-50.

[4]COCKROFT J P，ROBERTSON P .Ventilation of an Enclosure Through a Single Opening[J].Building &Environment，1976，11(1)：29-35.

[5]DASCALAKI E，SANTAMOURIS M，ARGIRIOU A，et al.Predicting Single Sided Natural Ventilation Rates in Buildings[J].Solar Energy，1976，55(5)：327-341.

[6]DASCALAKI E，SANTAMOURIS M，ARGIRIOU A，et al.On the Combination of Air Velocity and Flow Measurements in Single Sided Natural Ventilation Configurations[J].Energy & Buildings，1996，24(2)：155-165.

[7]CAREY P S，ETHERIDGE D W.Direct Wind Tunnel Modelling of Natural Ventilation for Design Purpose[J].Building Services Engineering，1999，20(3)：131-140.

[8]JIANG Y，ALEXANDER D，JENKINS H，et al.Natural Ventilation in Buildings：Measurement in a Wind Tunnel and Numerical Simulation with Large Eddy Simulation[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2003，91(3)：331-353.

[9]MURAKAMI S，AKABAYASHI S，KIM Y D，et al.Wind Tunnel Test on Velocity-Pressure Field of Cross-Ventilation with Open Windows[J].ASHRAE Transactions，1991，97：525-538.

[10]OHBA M，IRIE K，KURABUCHI T.Study on Air flow Characteristics Inside and Outside a Cross-Ventilation Model and Ventilation Flow Rates Using Wind Tunnel Experiments[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2001，89(14/15)：1513-1524.

[11]STAVRAKAKIS G M，KOUKOU M K，VRACHOPOULOS M G，et al.Natural Cross-Ventilation in Buildings：Building-Scale Experiments，Numerical Simulation and Thermal Comfort Evaluation[J].Energy & Buildings，2008，40(9)：1666-1681.

[12]李 林，肖 婷，廖婉婷，等.雙開(kāi)口室內(nèi)熱壓自然對(duì)流模擬及熱源分析[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30(2)：1-7.LI Lin，XIAO Ting，LIAO Wanting，et al.Simulation of Indoor Heat Press Natural Convection with Double Openings and Thermal Source Analysis[J].Journal of Hunan University of Technology，2016，30(2)：1-7.

[13]肖 婷，李 林，梅碩俊，等.變截面風(fēng)管均勻送風(fēng)的氣流組織CFD模擬[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30(2)：13-20.XIAO Ting，LI Lin，MEI Shuojun，et al.CFD Simulation of Air Distribution in Variable Cross-Section Duct with Uniform Air Supply[J].Journal of Hunan University of Technology，2016，30(2)：13-20.

[14]ZHANG J H，ZHANG D D，ZHAO F T，et al.Nonunique Steady Flow Solutions for Pressure Correction Equations Applied in the Regime of Natural Convection Inside the Free Vented Enclosures[J].Numerical Heat Transfer Part A，2016，70(2)：1-17.

[15]KOBAYASHI T，SAGARA K，YAMANAKA T，et al.Power Transportation Inside Stream Tube of Cross-Ventilated Simple Shaped Model and Pitched Roof House[J].Building & Environment，2009，44(7)：1440-1451.