華南地區窄腔外呼吸式幕墻熱氣流流動規律有限元計算研究

摘要：本文在充分搜集和整理華南地區夏季氣象數據資料的基礎上采用CFD大型通用有限元軟件FLUENT對雙層外呼吸式幕墻進行計算模擬，得到雙層玻璃幕墻熱通道內的速度場、壓力場。在此基礎上，計算出雙層幕墻進出風口的空氣流量、平均風速等物理量，準確的揭示了熱通道內氣體流動規律。

關鍵詞：窄腔、外呼吸式幕墻、有限元、熱氣流流動規律

1.引言

呼吸式幕墻， 又稱雙層幕墻、雙層通風幕墻、熱通道幕墻等， 它由內、外兩道幕墻組成， 內外幕墻之間形成一個相對封閉的空間， 空氣可以從下部進風口進入， 又從上部排風口離開這一空間， 這一空間經常處于空氣流動狀態， 熱量在這一空間流動。呼吸式幕墻由內外兩層玻璃幕墻組成， 與傳統幕墻相比， 它的最大特點是在于雙層玻璃結構及中間空氣間層，冬季將進、出風口封閉起保溫作用，并將外層玻璃表面承受太陽輻射熱通過空氣間層傳遞到室內起到增熱作用，夏季將進、出風口開啟，空氣間層形成熱通道，外層玻璃表溫太陽熱輻射在通道產生溫差，造成熱氣流自然流動，帶走部分熱量，降低室內溫度，節省能源，兩者綜合起來，雙層通風幕墻節能效果是顯著的。因此熱通道幕墻又稱為新型的節能幕墻。

2. 問題提出

我國是在2000年后才開始呼吸式幕墻的應用和研究，起步比較晚。尤其是針對華南地區氣候條件下雙層呼吸式幕墻的研究尚處于起步階段，體現在雙層玻璃幕墻氣體通道內熱氣流流動的內在規律及參數的研究尚缺乏深入的研究。

通道內氣體流動與幕墻的除熱效率有著直接的關系。目前最新的研究技術主要采用有限元模擬計算的分析方法，目前的研究多針對模型的溫度場進行研究，對于揭示空腔內氣流運動的其他指標還缺乏深入的研究，另外對于模型邊界條件的選取及參數的確定尚存在較多的問題，嚴重影響模擬結果的真實性。

3. 雙層玻璃幕墻物理模型的建立

本課題小組以廣東省中醫院教學科研大樓雙層玻璃幕墻為例，采用CFD通用軟件FLUENT來對幕墻在夏季最熱的氣象條件下的運行情況采用有限單元法進行模擬計算。

3.1 基本假設

參照國內外在使用CFD技術模擬雙層玻璃幕墻通風傳熱方面的經驗，以及本幕墻系統的構造特點，我們作以下的基本假設：

（1）穩定的外界環境條件；

（2）熱通道內的空氣為不可壓縮牛頓流體，并且滿足Boussinesq假設；

（3）不考慮玻璃壁面蓄熱。

3.2 數學模型

空腔內空氣的自然對流是在重力場或其他力場的作用下由密度差引起的浮升力產生的，因此必須考慮動量方程中的體積力項 的影響，引入Boussinesq假設建立三維穩態方程組。

連續性方程：

式中 ——空氣密度，是溫度的函數， ；

u、v、w ——x、y和z方向的速度分量， ；

狀態方程：

式中 ——壓力，Pa；

——氣體常數， ；

——空氣溫度，K。

動量方程和能量方程可以寫成通用形式：

式中 ——通用變量；

——與 相對應的廣義擴散系數；

——與 相對應的廣義源項。

3.3 氣象條件與物性參數

在充分搜集整理了華南地區全年氣象資料的前提下，得出如下基礎數據

參考氣壓取為標準大氣壓，101325 Pa；

空氣比熱1007 J/（kg*K）；

重力加速度g = 9.81 m/s2；

外層玻璃：傳熱系數5.7 W/（m2*K），吸收率0.59、反射率0.10、透射率0.31；

內層中空玻璃：傳熱系數1.8 W（/m2*K），吸收率0.49、反射率0.25、透射率0.26；

3.4 模型選擇與邊界條件

雙層幕墻內的空氣在吸收太陽輻射后，空氣密度變小，從而產生熱氣流的流動，在不同的室外氣溫條件和太陽輻射照度下，流態可分成層流及紊流兩種形式，其判別的依據是雷諾數（Re）。當Re < 2320時，屬于層流流動；當Re > 4000時，屬于紊流流動；當 2320 < Re < 4000時，熱氣流的流動處于臨界狀態，既可能是層流也可能是紊流流動，要結合實際情況判別。根據幕墻系統的尺寸和氣象條件，在計算出相應的Re后作流態判別，夏季（熱）兩個系列工況里采用的是RNG 紊流模型。空氣的密度變化采用Boussinesq假設，以準確模擬雙層幕墻內因溫差而產生的自然對流現象。

4. 窄腔外呼吸式玻璃幕墻氣體通道內熱氣流流動內在規律研究

在建立模型、確定邊界條件及計算方法之后，得到雙層玻璃幕墻熱通道內的速度場、壓力場。在此基礎上，可以計算出雙層幕墻進出風口的空氣流量、平均風速等物理量，能夠準確的揭示熱通道內氣體流動規律。

通過對計算結果后處理的計算分析，本文將夏季最熱條件下熱通道內氣體流動的模擬結果研究總結。主要包括：X方向和Z方向的中界面上的氣壓分布圖、速度分布圖，以及從進風口面上釋放示蹤粒子的氣流軌跡圖。

5.小結

從以溫度顯示的空氣跡線圖可以看出：空氣從進風口進入熱通道后，沿著溫度較高的外層玻璃壁面快速爬升，在出風口的位置空氣得到明顯加熱并排出，把熱通道內得到的部分熱量帶走，這就是所謂的“煙囪效應”，也是雙層幕墻系統夏季節能的基本原理。同時也可以看到，熱通道內氣流的流動相對而言比較平穩，平均速度在0.1～0.2 m/s，熱通道內的壓力變化也較?。怀嗽谶M風口附近有局部的回流區，氣流都是直上直下的，這樣就有利于熱空氣的快速排出，加快通風散熱的速度。

本文以流體力學及連續介質動力學為基礎采用有限單元法計算揭示了雙層幕墻熱氣流流動規律，為幕墻結構設計及節能計算提供了理論依據。