第27卷第2期2011年2月

［1002-8528（2011）02-0087-05文章編號(hào)］

建筑科學(xué)Vol.27，No.2Feb.2011

BUILDINGSCIENCE

陽臺(tái)對(duì)低層建筑風(fēng)壓作用下自然通風(fēng)影響的數(shù)值研究

李崢嶸，艾正濤（同濟(jì)大學(xué)

機(jī)械工程學(xué)院暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克�，上�?00092）

［摘要］本文將通風(fēng)量和工作平面平均風(fēng)速作為衡量房間通風(fēng)效果的指標(biāo)，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，分析了陽臺(tái)對(duì)低層建筑風(fēng)壓作用下自然通風(fēng)的影響。首先通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的可靠性，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一

通過模擬得到以下結(jié)論：對(duì)于單側(cè)通風(fēng)建筑，陽臺(tái)能夠極大地提高建筑中部及下部房間的通風(fēng)性能；對(duì)于雙側(cè)通致性。而后，

風(fēng)建筑，陽臺(tái)對(duì)室內(nèi)通風(fēng)性能的影響較小；陽臺(tái)可以誘導(dǎo)空氣進(jìn)入房間更深的區(qū)域，在工作平面形成更為均勻的風(fēng)環(huán)境。

［關(guān)鍵詞］陽臺(tái)；CFD；自然通風(fēng)；低層建筑［中圖分類號(hào)］TU834.5+1［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

NumericalResearchontheInfluencesofBalconyonNaturalVentilationundertheWindPressureofLow-riseBuildings

LIZheng-rong，AIZheng-tao（InstituteofHVAC＆Gas，CollegeofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，

China）

theventilationvolumeandtheaveragedairvelocityoftheworkingplaneweretakenastheindexesto［Abstract］Inthispaper，

measuretheventilationeffectoftheroom，andthemethodofcomputationalfluentdynamicswasadoptedtoanalyzetheinfluencesof

thereliabilityofmathematicalmodelwasverifiedbalconyonnaturalventilationunderthewindpressureoflow-risebuildings.First，

inwhichthesimulationresultswerewellconsistentwiththeexperimentresults.Then，thefollowingthroughexperimentdata，

conclusionsthroughthesimulationwereobtained.Forthesingle-sideventilationbuilding，thebalconycouldgreatlyimprovethe

forthedouble-sideventilationbuilding，theinfluencesofthebalconyontheventilationperformanceofthemiddleandlowerrooms，

indoorventilationperformanceweresmall，moreover，thebalconycouldguidetheairintothedeeperareaintheroom，andformmoreevenwindenvironmentontheworkingplane.

［Keywords］balcony，CFD，naturalventilation，low-risebuilding

0引言

有效增強(qiáng)室內(nèi)空氣流動(dòng)并改變室內(nèi)熱環(huán)境

［2-3］

。由

于實(shí)驗(yàn)研究具有高成本、耗時(shí)和環(huán)境依賴性等不足，

Chand，等通過實(shí)驗(yàn)研究證明了陽臺(tái)對(duì)建筑表面風(fēng)壓大小及分布具有重要影響；同時(shí)，通過對(duì)風(fēng)壓值的進(jìn)一步處理分析發(fā)現(xiàn)陽臺(tái)對(duì)單側(cè)通風(fēng)和雙側(cè)通風(fēng)的通風(fēng)力有較大影響

［1］

1］不可能對(duì)所有情況進(jìn)行研究。本文針對(duì)文獻(xiàn)［的建筑模型中沒有房間和開口的問題，采用數(shù)值模擬方法，利用該文獻(xiàn)的邊界條件，分析陽臺(tái)對(duì)風(fēng)壓作用下低層建筑自然通風(fēng)的影響。

。他們的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于

在建筑設(shè)計(jì)階段評(píng)估陽臺(tái)對(duì)建筑表面風(fēng)負(fù)載和建筑室內(nèi)通風(fēng)的影響具有重要的指導(dǎo)意義。Prianto和Depecker通過實(shí)驗(yàn)及模擬的方法研究了建筑設(shè)計(jì)元素對(duì)熱帶地區(qū)自然通風(fēng)建筑的影響，發(fā)現(xiàn)陽臺(tái)能夠

1

1.1

數(shù)值模型的建立

幾何模型

1］如圖1所示，文獻(xiàn)［所用模型為1/30比例的

建筑模型，陽臺(tái)安裝在5層建筑的上面4層房間外

［07-12［一次修回］2010-08-06收稿日期］2010-［二次修回］2010-08-12

［作者簡介］李崢嶸（1969-），女，博士，教授［聯(lián)系方式］lizhengrong@#edu.cn

面，每1個(gè)陽臺(tái)對(duì)應(yīng)1個(gè)房間，圖中M和E分別指中間和兩側(cè)。建筑模型尺寸為60cm（長）×25cm（寬）×50cm（高），陽臺(tái)尺寸為15cm（長）×5cm

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建筑科學(xué)第27卷

（寬）×3cm（高）。實(shí)驗(yàn)入口處風(fēng)速分布和紊流強(qiáng)度分布如圖2所示，圖中V和Vr分別表示某一高度1］通過實(shí)驗(yàn)論證，將處的速度和參考速度。文獻(xiàn)［

建筑模型上游90cm處與建筑高度相同的一點(diǎn)定為該點(diǎn)的風(fēng)速和靜壓值為參考速度和參考?jí)簠⒖键c(diǎn)，

力值。實(shí)驗(yàn)采用壓力系數(shù)（CP）評(píng)估建筑表面的壓其定義如下：力分布，

CP=

P－PS0.5ρV2r

P為模型表面的測(cè)量壓力值，Pa；PS為參考?jí)菏街校?/p>

Pa；ρ為空氣密度，kg/m3

。力值，

圖2

相對(duì)速度和紊流強(qiáng)度分布

為了考察陽臺(tái)對(duì)建筑內(nèi)部房間自然通風(fēng)的影1］響，本文在文獻(xiàn)［建筑模型的基礎(chǔ)上加上房間和窗戶（模型1和模型3），同時(shí)建立沒有陽臺(tái)但是有同樣房間和窗戶尺寸的建筑模型（模型2和模型4）進(jìn)行對(duì)比。其中，模型1和2為單側(cè)自然通風(fēng)，模型3和4為雙側(cè)自然通風(fēng)。所有研究的建筑模型細(xì)節(jié)見表1，其中陽臺(tái)尺寸與實(shí)驗(yàn)中的相同，單側(cè)通風(fēng)時(shí)房間尺寸為20cm（長）×12.5cm（寬）×10cm（高），雙側(cè)通風(fēng)房間尺寸為20cm（長）×25cm（寬）×10cm（高），大開口和小開口尺寸分別為10cm（寬）×6.667cm（高）和10cm（寬）×3.667cm

圖1

建筑模型及其風(fēng)壓測(cè)試點(diǎn)

（高）。

表1

模型信息

2～5層

與實(shí)驗(yàn)相同（沒有開口）

6個(gè)房間，6個(gè)大開口，6個(gè)陽臺(tái)

6個(gè)房間，6個(gè)大開口

3個(gè)房間，迎風(fēng)面3個(gè)大開口和3個(gè)陽臺(tái)，背風(fēng)面3個(gè)小開口

3個(gè)房間，迎風(fēng)面3個(gè)大開口，背風(fēng)面3個(gè)小開口

房間數(shù)量

030301515

底層

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型

模型1模型2模型3模型4

6個(gè)房間，6個(gè)大開口6個(gè)房間，6個(gè)大開口

3個(gè)房間，迎風(fēng)面3個(gè)大開口，背風(fēng)面3個(gè)小開口3個(gè)房間，迎風(fēng)面3個(gè)大開口，背風(fēng)面3個(gè)小開口

L、H表示，將建筑模型的長、寬、高分別用W、根4］～［6］據(jù)文獻(xiàn)［確定計(jì)算區(qū)域?yàn)椋航ㄖ�物前�?H，建筑物兩側(cè)各5W，建筑物后部為10H，高度為6H。計(jì)算區(qū)域及其邊界條件如圖3所示，其中入口處速度和紊流強(qiáng)度采用實(shí)驗(yàn)值（見圖2），通過FLUENT軟件的自定義編程功能按圖2編程輸入，本文將參考風(fēng)速Vr設(shè)定為4m/s。1.2

CFD計(jì)算方法

本文采用目前運(yùn)用最為廣泛的CFD商業(yè)軟

件

圖3

計(jì)算區(qū)域及邊界條件

第2期李崢嶸，等：陽臺(tái)對(duì)低層建筑風(fēng)壓作用下自然通風(fēng)影響的數(shù)值研究

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之一FLUENT（6.3版本）。FLUENT采用有限體積法，通過對(duì)變量和壓力進(jìn)行雷諾平均求解質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等方程，已經(jīng)被成功運(yùn)用在許多不同的研究工作中

［6-9］

合較好。然而，在本文中，房間開口位于各層墻面的中下部，因此建筑頂端的壓力數(shù)據(jù)對(duì)于本文的分析本文選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型影響較小。最終通過比較，進(jìn)行后面的模擬研究。2.2

陽臺(tái)對(duì)單側(cè)通風(fēng)建筑自然通風(fēng)性能的影響利用表1中所列的模型1和模型2，可對(duì)陽臺(tái)對(duì)單側(cè)通風(fēng)建筑自然通風(fēng)性能的影響進(jìn)行對(duì)比性研究。單側(cè)通風(fēng)迎風(fēng)面和背風(fēng)面的模擬結(jié)果分別見圖5和圖6。圖中ACH為房間換氣次數(shù)，V表示1m高處工作平面上的平均風(fēng)速。表示房間位置的符號(hào)命名規(guī)則如下：第1個(gè)字母表示房間所在層數(shù)（縱向位置），第2個(gè)字母表示房間在某層的位置（橫向位3E表示第3例如1M表示第1層的中間房間，置）

，

層兩側(cè)的房間。由于本文只研究風(fēng)向垂直入射建筑表面的情況，此時(shí)建筑兩側(cè)房間對(duì)稱，因此只需呈現(xiàn)一側(cè)的結(jié)果即可。

。在本文的數(shù)值模擬中，

以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為參照標(biāo)準(zhǔn)，分別進(jìn)行了紊流粘性系數(shù)、紊流模型、差分方法、地面粗糙度和網(wǎng)格數(shù)量的敏感性分析。最終考慮到數(shù)值計(jì)算的精確度和數(shù)值計(jì)算成本，選擇如下：采用雷諾平均法中的渦黏模型，利如用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型（雖然其存在數(shù)值缺陷，在預(yù)測(cè)繞流背風(fēng)面壓力系數(shù)時(shí)存在一定的分離，但本文認(rèn)為模擬結(jié)果是可以接受的，如圖4所示）配合標(biāo)準(zhǔn)墻面方程，利用二階迎風(fēng)差分方法對(duì)偏微分采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力和速方程組進(jìn)行離散，

度的解耦，紊流粘性系數(shù)取為10，地面粗糙度高度設(shè)置為0.5cm，網(wǎng)格數(shù)量約為120萬。由于建筑通風(fēng)屬于低速紊流流動(dòng)，常溫條件下空氣可以認(rèn)為是

［10］

。不可壓縮流體，符合Boussinesq假設(shè)

圖5陽臺(tái)對(duì)單側(cè)通風(fēng)迎風(fēng)面房間自然通風(fēng)的影響

圖4建筑模型中部迎風(fēng)面與背風(fēng)面

壓力系數(shù)比較（有陽臺(tái)，不同的紊流模型）

圖6

陽臺(tái)對(duì)單側(cè)通風(fēng)背風(fēng)面房間自然通風(fēng)的影響

2

2.1

結(jié)果與討論

數(shù)值模型驗(yàn)證

1］利用FLUENT6.3首先對(duì)文獻(xiàn)［中的實(shí)驗(yàn)（表

圖5給出了在有陽臺(tái)和沒有陽臺(tái)的情況下，單側(cè)通風(fēng)建筑迎風(fēng)面房間自然通風(fēng)換氣次數(shù)和工作平面的平均風(fēng)速。由圖可知，除第4層的所有房間和陽臺(tái)的引入可以極大第3層的兩側(cè)房間（3E）以外，

地提高房間的換氣次數(shù)，特別是對(duì)位于底層和頂層的房間。各個(gè)房間換氣次數(shù)的增加率列于表2，由表可知，對(duì)于多數(shù)迎風(fēng)面房間，陽臺(tái)非常有利于增加房間的換氣次數(shù)，從而改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。圖5同時(shí)顯示除了導(dǎo)致位于第3層和第4層的房間風(fēng)速有

1中所列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型）進(jìn)行完整的模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖4比較了使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε和RNGk-ε紊流模型所得到的建筑模型中部（M）的壓力系數(shù)CP值和文獻(xiàn)［1］在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的數(shù)值。圖中模擬結(jié)果除在迎風(fēng)面頂端處與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大分離（33%）外，在其它位置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻

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建筑科學(xué)第27卷

較大降低外，陽臺(tái)增加了底層和頂層房間工作面的平均風(fēng)速，而對(duì)第2層房間的風(fēng)速只有很小的降低對(duì)于大部分樓層，位于兩側(cè)的房間相對(duì)作用。另外，

于中間的房間有更大的換氣次數(shù)和平均風(fēng)速。然在某些房間（如3M），陽臺(tái)增加了室內(nèi)換氣次數(shù)而，

卻降低了工作面的平均風(fēng)速。這一現(xiàn)象是因?yàn)閬砹髟谫N近房空氣在沒有陽臺(tái)的建筑外表面順墻而下，間窗口處與墻面幾乎平行，難以進(jìn)入到房間內(nèi)部，從

表2

房間增加量/%

1M223.2

1E175.8

2M914.0

由于沒而導(dǎo)致了較小的換氣次數(shù)。但是另一方面，有陽臺(tái)的阻擋，沿墻面向下的風(fēng)速較大，從而極大地提高了FLUENT所計(jì)算的工作面平均風(fēng)速。綜上可陽臺(tái)能夠誘導(dǎo)空氣進(jìn)入室內(nèi)更深區(qū)域，從而以說明，