張園 彭小勇 胡畏

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

在大跨度廠房中， 屋頂在整個廠房建筑圍護結(jié)構(gòu)面積中所占比例大， 且屋頂受太陽輻射量嚴重， 屋頂外表面溫度很高， 極大地增加了冷負荷。通過減小屋頂外表面溫度可以降低冷負荷， 從而實現(xiàn)節(jié)能。

前人對于屋頂降溫技術(shù)做了大量的研究， 都取得了良好的降溫效果。例如在屋頂涂覆太陽熱反射涂料 [1] ， 通過增加屋頂表面對太陽輻射的反射率， 降低屋頂外表面溫度。在屋頂設(shè)置水噴淋裝置 [2] ， 通過水蒸發(fā)帶走熱量， 有效降低屋頂外表面溫度， 屋頂單位面積空調(diào)負荷最多可下降56.3%。在玻璃屋頂上設(shè)置智能遮陽百葉[3]， 通過變化百葉角度來調(diào)整進光量， 有效地阻擋太陽熱能進入室內(nèi)。

研究人員在以下幾個方面考慮了自然風的影響，并進行了深入的研究：1）自然風對建筑物結(jié)構(gòu)的影響及其風場研究[4-6]。2） 非穩(wěn)態(tài)風對建筑物自然通風的影響研究 [7] 。3） 橫向自然風對直接空冷機組運行的影響研究 [8] 。4） 自然風對實際地形的風場研究， 如沙漠坡面地形 [9] 、 蘇格蘭Askervein小山 [10] 。

本文在大跨度空調(diào)廠房屋頂設(shè)置基于科恩達效應(yīng)的空氣誘導(dǎo)器， 并且考慮自然風的影響， 實現(xiàn)小風量誘導(dǎo)大跨度空調(diào)廠房屋頂外表面上方空氣， 在屋頂外表面形成氣膜并及時帶走熱量， 降低屋頂外表面溫度， 減小屋頂內(nèi)外表面?zhèn)鳠釡夭?。?yīng)用 CFD技術(shù)數(shù)值模擬了不同自然風風速對大跨度空調(diào)廠房屋頂?shù)臍饽ば纬珊徒禍匦Ч绊憽?/p>

1 控制方程與數(shù)值方法

1.1 控制方程

屋頂外表面附近空氣流動看作是低速不可壓縮湍流流動， 滿足 N-S方程。以張量形式表示的 3 個守恒方程如式 （1） ～ （3） 所示。

1） 質(zhì)量守恒方程

2） 動量守恒方程

3） 能量守恒方程

式（ 1）～（ 3）中 ：U為速度矢量，P為流體壓力，ρ為 密度，μ為 動力粘性系數(shù)，cp為比熱容，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，F(xiàn)為作用在流體上的質(zhì)量力，T為流體或固體的溫度，Φ 為能量耗散函數(shù)。

1.2 數(shù)值方法

采用太陽射線跟蹤算法計算太陽輻射對屋頂產(chǎn)生的直接照射熱流，并 將計算出的熱流通過能量方程中的源項耦合到 Fluent 計算中。在流固耦合界面處，使用 Fluent 提供的標準壁面函數(shù)法處理流動邊界層和傳熱邊界層。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型的建立

圖1為二維物理模型及計算區(qū)域圖， X、 Y 軸組成二維平面， Z軸垂直該平面。 因為Fluent軟件中的太陽輻射模型只能適用于三維物理模型， 因此本文選取長度為1m，沿Z軸前后對稱的三維物理模型作為研究對象。計算域左邊為來流自然風， 下邊為地面， 上邊、右邊為壓力出口， 左邊來流自然風離墻的距離為170m， 右邊離墻距離為340m。屋頂為保溫壓型鋼板復(fù)合屋頂， 長度為 30m， 并且關(guān)于X=0對稱。 空氣誘導(dǎo)器放置于屋頂上方， 關(guān)于X=0 對稱， 由條狀型風口和科恩達曲面組成， 且條狀型送風口垂直科恩達曲面。

圖1 物理模型及計算區(qū)域圖

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在大跨度空調(diào)廠房屋頂氣膜降溫模型中， 用具有代表性的地面粗糙類別對應(yīng)的大氣邊界條件為來流邊界條件進行計算， 模擬大氣邊界層風速剖面指數(shù)分布。上游來流邊界的U、V、W均給定。具體給法如下：

式中：y0為標準高度， 取 10m；u0為相應(yīng)的標準高度處平均風速；y為流域中任意高度；Uin為流域中任意高度對應(yīng)的來流風速。

計算域左邊為來流自然風， 采用UDF程序進行設(shè)置， 上、 右邊為壓力出口。空氣誘導(dǎo)器條縫型送風口為速度入口， 送風溫度為T=305 K， 采用均勻送風速度25m/s， 并且送風速度垂直于條狀型送風口。屋頂外表面為耦合壁面， 屋頂內(nèi)表面為定溫邊界條件（T=30 ℃）， 屋頂對太陽輻射的吸收系數(shù)為 0.8， 傳熱系數(shù)為3.87 W/(m2· K)。

圖2 局部網(wǎng)格分布

計算域采用正六面體網(wǎng)格劃分， 網(wǎng)格從X=0 線開始， 往兩邊由密變疏， 并且在空氣誘導(dǎo)器送風口、 科恩達曲面、 屋頂外表面附近進行局部加密 （圖2）。 由于整個計算域關(guān)于 Z軸對稱，因此在 Z軸方向取10 個網(wǎng)格， 最終網(wǎng)格數(shù)為775,862。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 氣膜形成情況模擬結(jié)果與分析

圖 3 為屋頂迎風面上不同法向截面的氣流速度分布圖。從圖3可以看出， 在沒有自然風時， 在每一個截面位置上， 出現(xiàn)了一個氣膜區(qū)域， 并且隨著流動距離增加， 氣膜區(qū)域變緩。在有自然風影響時， 隨著自然風風速的增加，氣膜區(qū)域變緩程度加快直至消失， 特別是u0=2m/s時， 在X=-20m位置氣膜區(qū)域消失。

圖3 屋頂迎風面上不同法向截面的氣流速度分布圖

3.2 屋頂降溫情況模擬結(jié)果與分析

圖4 為不同自然風風速和沒有自然風（u0 =0m/s）時對應(yīng)的大跨度廠房附近的流線圖。圖5為不同自然風風速和沒有自然風 （u0 =0m/s） 時對應(yīng)的屋頂外表面周圍空氣溫度云圖。 結(jié)合圖4和圖5可以看出， 在沒有自然風時，屋頂外表面附近的空氣溫度分布關(guān)于X=0線對稱， 并且隨著空氣流動距離的增加， 氣流不斷帶走屋頂外表面的熱量，空氣溫度逐漸增加。當自然風風速u0 =1m/s， 在屋頂迎風面上， 由于受到自然風的對流影響， 被屋頂迎風面加熱的空氣在X(-32.1，-31.9)m區(qū)域開始出現(xiàn)回流， 向屋頂背風面方向流動， 在X(-32.1，-31.9)m區(qū)域處空氣溫度最高。同理， 當自然風風速u0=2m/s， 在X□ (-15.1，-14.9)m 區(qū)域開始出現(xiàn)回流， 向屋頂背風面流動， 在屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m區(qū)域處空氣溫度最高。因此， 隨著自然風風速的增加， 被屋頂迎風面加熱的空氣開始出現(xiàn)回流的區(qū)域更靠前。

圖6為不同自然風風速對應(yīng)的屋頂外表面溫度云圖。在沒有自然風時，屋頂外表面溫度分布關(guān)于X=0對稱，并且隨著空氣流動距離的增大而增大。當自然風風速u0 =1m/s時， 由于自然風的對流影響， 在屋頂迎風面上的X(-32.1，-31.9)m 區(qū)域開始出現(xiàn)回流， 此處溫度最高， 屋頂迎風面的降溫效果比沒有自然風的情況差， 背風面的降溫效果幾乎和迎風面一樣。同理， 當自然風風速u0 =2m/s時， 在屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m區(qū)域開始出現(xiàn)回流， 此處溫度最高。

圖4 不同自然風風速對應(yīng)的大跨度廠房附近的流線圖

圖5 不同自然風風速對應(yīng)的空氣溫度云圖

圖6 不同自然風風速對應(yīng)的屋頂外表面溫度云圖

4 結(jié)論

在大跨度空調(diào)廠房屋頂設(shè)置科恩達效應(yīng)的空氣誘導(dǎo)器， 實現(xiàn)小風量大溫差誘導(dǎo)屋頂外表面周圍空氣，在屋頂外表面形成氣膜以帶走屋頂熱量。考慮自然風的情況下， 應(yīng)用 CFD技術(shù)數(shù)值模擬了不同自然風風速對大跨度空調(diào)廠房屋頂?shù)臍饽ば纬珊徒禍匦Ч绊憽？梢缘玫较旅娴慕Y(jié)論：

1） 在沒有自然風時， 流線關(guān)于X=0 對稱， 并且在屋頂外表面上出現(xiàn)了一個氣膜區(qū)域， 隨著流動距離增加， 氣膜區(qū)域變緩?？紤]自然風時， 在屋頂迎風面上產(chǎn)生旋渦， 隨著自然風風速的增大， 旋渦減小， 氣膜區(qū)域變緩程度加快直至消失。屋頂背風面上自然風對氣膜形成幾乎沒有影響。

2） 在沒有自然風時， 屋頂外表面附近的空氣溫度分布關(guān)于X=0 線對稱，并且隨著空氣流動距離的增加， 氣流不斷帶走屋頂外表面的熱量， 空氣溫度逐漸增加。當自然風風速u0 =1m/s， 屋頂迎風面上在X(-32.1，-31.9)m 區(qū)域處空氣溫度最高， 當自然風風速u0 =2m/s， 屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m區(qū)域處空氣溫度最高。

3） 在沒有自然風時， 隨著空氣流動距離的增加，氣膜帶走屋頂外表面的熱量減少。當自然風風速u0 =1m/s 時， 在屋頂迎風面上的X(-32.1，-31.9)m 區(qū)域， 屋頂外表面溫度最高。 當自然風風速u0 =2m/s時， 在屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m 區(qū)域， 則屋頂外表面的溫度最高。

參考文獻

[1] 沈輝, 譚洪衛(wèi).太陽熱反射涂料在夏熱冬暖地區(qū)廠房屋頂?shù)氖褂眯Ч衃J].建筑科學(xué),2009,25(3):49-53.

[2] 趙惠忠,黃晨,李維祥,等.上海世博會主題館空調(diào)屋頂節(jié)能研究[J].暖通空調(diào),2008,38(12):96-99.

[3] 郭清華,夏斐,蔣麗.玻璃屋面中智能遮陽百葉的應(yīng)用[J].山東科技大學(xué)學(xué)報,2006,25(3):17-19

[4] 林斌. 懸挑屋蓋的風荷載模擬與氣動控制研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[5] 邢瓊, 錢江. 三圓柱形相鄰高層建筑間風場干擾的CFD模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,43(6):32-37.

[6] 黃瑩.基于FLUENT軟件的建筑物風場數(shù)值模擬[D].武漢: 華中科技大學(xué),2005.

[7] 譚洪衛(wèi),季亮,KATO Shinsuke.非穩(wěn)態(tài)風邊界條件下的自然通風機理及效率[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,43(6):2424-2433.

[8] 唐正偉,熊揚恒,胡玲.橫向自然風對直接空冷機組運行的影響及其數(shù)值模擬[J].熱力發(fā)電,2010,39(4):12-22.

[9] 蔣紅, 佟鼎, 黃寧. 坡面地表下的風場的風洞實驗與數(shù)值模擬[J].中國沙漠,2011,31(3):626-631.

[10] 鄧院昌,劉沙,余志.實際地形風場CFD模擬中粗糙度的影響分析[J].太陽能學(xué)報,2010,31(12):1644-1648.