双层幕墙热气流流体动力学热工模拟

　　双层幕墙是一种新型的节能玻璃幕墙，它通常由外层单层玻璃和内层中空玻璃组成，两层幕墙中间形成了空气流动的热通道。为增强双层幕墙的遮阳效果和通风散热能力，在设计时会在热通道内安装遮阳百叶，并在进出风口处设置排气装置。

　　双层幕墙的外层玻璃受太阳辐射热作用，热通道的空气被加热，产生热浮力而形成自然热气流，又称为“烟囱效应”。为增强双层幕墙的“烟囱效应”，必须对热通道内的热气流流动规律进行研究，对此，前文[1]已用有限元分析法作过计算。本文利用太阳能发电驱动风机对双层幕墙进行强迫送风，并研究强化热气流的成因，首先建立热气流流动的三维流体动力学模型，借助FLUENT软件对双层幕墙进行热工模拟，计算在无遮阳、遮阳百叶全开、遮阳百叶封闭等三种工况下强化热气流的温度场和速度场，并与自然热气流(即无强迫送风)的情况进行对比，从而对强化热气流流量及热功率显著增加的原因进行探讨，对双层幕墙节能技术的改进有重大的实用意义。

　　1.物理模型及边界条件

　　1.1 基本假设

　　参照国内外在使用CFD技术模拟双层玻璃幕墙通风传热方面的经验[2]~ [10]，以及本幕墙系统的构造特点，我们作以下的基本假设：(1)稳定的外界环境条件；(2)热通道内的空气为不可压缩牛顿流体，并且满足Boussinesq假设；(3)不考虑玻璃壁面蓄热；(4)假定幕墙密封性能好，不考虑空气渗透；(5)常温下幕墙材料特性与温度无关；(6)忽略室外风速的影响。

　　1.2 数学模型

　　空腔内空气的自然对流是在重力场或其他力场的作用下由密度差引起的浮升力产生的，因此必须考虑动量方程中的体积力项的影响，引入Boussinesq假设建立三维稳态方程组[11]。

　　连续性方程：

　　 (1)

　　式中——空气密度，是温度的函数，；

　　u、v、w ——x、y和z方向的速度分量，m/s。

　　状态方程：

　　 (2)

　　式中Ｐ——压力，Pa；

　　Ｒ——气体常数，R=287J/(kg·K)；

　　Ｔ——空气温度，K。

　　动量方程和能量方程可以写成通用形式：

　　 (3)

　　式中——通用变量；

　　——与相对应的广义扩散系数；

　　——与相对应的广义源项。

　　1.3 气象条件与物性参数

　　依据气象条件参考文献[12]，选择夏季(最热时)，平均太阳辐射照度为591.00 W/m2；参考气压取为标准大气压，101325 Pa；空气密度，1.1133 kg/m3；空气热膨胀系数，0.003225(1/K)；空气比热，1006.43J/(kg*K)；室外计算温度，38.1℃；重力加速度g = 9.81 m/s2。

　　根据工程实际外层玻璃的物性参数[13]选取：传热系数5.7 W/(m2*K)，吸收率0.59、反射率0.10、透射率0.31；内层中空玻璃：传热系数1.8 W(/m2*K)，吸收率0.49、反射率0.25、透射率0.26。

　　1.4 模型选择与边界条件

　　双层幕墙内的空气在吸收太阳辐射后，空气密度变小，从而产生热气流的流动，在不同的室外气温条件和太阳辐射照度下，流态可分成层流及紊流两种形式，其判别的依据是雷诺数(Re)。当Re < 2320时，属于层流流动;当Re > 4000时，属于紊流流动;当 2320 < Re < 4000时，热气流的流动处于临界状态，既可能是层流也可能是紊流流动，要结合实际情况判别[14]。根据幕墙系统的尺寸和气象条件，在计算出相应的Re后作流态判别，夏季和夏季(热)两个系列工况里采用的是RNG 紊流模型，冬季的系列工况则采用层流(laminar)模式。空气的密度变化采用Boussinesq假设，以准确模拟双层幕墙内因温差而产生的自然对流现象。

　　在边界条件设置方面，自然送风情况下的进风口、出风口分别设置为压力进口(Pressure-Inlet)与压力出口(Pressure-Outlet)，并给定相应的压力、温度及紊流参数。而强迫送风时，需要根据风扇的流量-压力曲线在进风口处给定相应的压升参数。内外层玻璃则根据热平衡方程，给定固壁温度边界条件，作为浮力产生的驱动因素。热通道顶端和底部等其他区域设置为绝热壁面[15]。

　　2.求解策略及计算结果

　　双层幕墙进风口面积：142×1200 mm2，出风口面积：276×1200 mm2，热通道间距187mm，高度2500mm，建模时采用三维笛卡尔坐标，网格划分主要采用六面体结构单元，模型的体单元数目为200万。每个case经过约8000个迭代步的运算后，流域里监测点的速度、压力和温度基本上达到稳定的状态，这时即认为计算收敛，可进入后处理阶段，对计算结果进行分析[16]。

　　自然热气流是指“烟囱效应”产生自然流动的气流;强化热气流是指由太阳能发电提供给蓄电池驱动小风扇送风(或称强化“烟囱效应”)。热功率则指从出风口每小时由热通道气流带走的热空气能量。关闭是指遮阳百叶开度为0°即各层叶片处于垂直位置，不透光;全开是指遮阳百叶开度为90°即各层叶片处于水平位置，部分透光;无遮阳就是遮阳百叶没有放下，对阳光完全没有遮蔽。按上述多种组合后分六种工况数值计算，得到温度、速度分布模拟效果见图1到6，对比见表1。

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