基于曲面的貼附送風(fēng)模式適用性研究
——以最速降線曲面為例

李安桂,楊 靜,王英志

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

從古代傳統(tǒng)建筑到現(xiàn)代建筑，曲面型建筑在我國(guó)及世界各國(guó)源遠(yuǎn)流長(zhǎng).這些曲面造型既體現(xiàn)了建筑師的藝術(shù)與靈感，也與環(huán)境、功能、結(jié)構(gòu)等理性因素緊密相關(guān).一般而言，曲線形狀往往由不同的形體(棱、柱、錐、球、殼、拱)構(gòu)成.例如，雙曲面建筑是馬鞍形的，由兩組曲率相反的拉索交叉組成，其曲面為雙曲拋物面，外形多變，可適用于圓形、橢圓形、菱形等多種建筑平面形狀，曲面建筑室內(nèi)環(huán)境形態(tài)國(guó)內(nèi)國(guó)外有很多應(yīng)用，如北京天壇，閩南民居建筑承啟樓[1]，上海的東方明珠電視塔，美國(guó)蘋(píng)果飛船總部等.氣流組織技術(shù)是營(yíng)造室內(nèi)環(huán)境的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的最終體現(xiàn)和最直接的終端技術(shù).現(xiàn)在的主要?dú)饬鹘M織形式有混合通風(fēng)、置換通風(fēng)和個(gè)性化送風(fēng)，國(guó)內(nèi)外主要是針對(duì)以上三種送風(fēng)方式存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了一系列新型送風(fēng)模式.本課題組十幾年前提出了豎壁貼附射流氣流組織通風(fēng)模式，并持續(xù)不斷的進(jìn)行了多年的理論、設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐[2-11].豎壁貼附射流氣流組織實(shí)現(xiàn)了“上置換通風(fēng)”，融合了“混合式”上部送風(fēng)和“置換式”兩種方式優(yōu)勢(shì)，顯著提高了通風(fēng)效率.但是現(xiàn)有貼附類(lèi)送風(fēng)模式的貼附對(duì)象都是豎直壁面或水平天花板，而對(duì)具有曲面墻面的室內(nèi)空間缺少相應(yīng)的研究.因此, 本文以最速降線[12-14](又稱擺線或旋輪線)曲面為例，探究貼附送風(fēng)模式氣流組織形式的適用性.

本研究旨在探討利用建筑曲面實(shí)現(xiàn)貼附送風(fēng)氣流組織的設(shè)計(jì)方法.以最速降線(又稱擺線或旋輪線)曲面為例，研究貼附送風(fēng)模式的適用性.在建筑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用CFD方法有助于預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣氣流組織[15]，主要采用CFD數(shù)值模擬的方法.由于曲面建筑一般采用對(duì)稱的方式，現(xiàn)只討論送風(fēng)射流主體在豎向貼附的壁面為曲面，采用L×W×H=5.4 m×7.0 m×2.6 m的房間作為簡(jiǎn)化的計(jì)算域，如圖1(b)所示，寬度b=0.05 m，長(zhǎng)度l=2.0 m的條縫型散流器用來(lái)控制射流進(jìn)入房間，如圖1所示.研究曲面貼附送風(fēng)模式下曲率、送風(fēng)速度和溫度等對(duì)該送風(fēng)模式速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響.

圖1 曲面貼附送風(fēng)原理示意圖Fig.1 Theory of curved wall attached air ventilation

1 數(shù)值計(jì)算模型建立和參數(shù)設(shè)定

1.1 計(jì)算模型的選擇和建立

基于常見(jiàn)的工程應(yīng)用背景，選擇曲率近似為0.236～0.436 m(是最小直徑的客家土樓曲率的兩倍[1])的最速降線曲面.數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域如圖1所示，除了曲線部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以加快計(jì)算速度，提高計(jì)算精度，模型建立的具體參數(shù)如表1所示.為提高計(jì)算精度，對(duì)送、排風(fēng)口區(qū)域、豎向貼附區(qū)和水平空氣湖區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密.

表1 幾種曲面的計(jì)算參數(shù)

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響.為了驗(yàn)證計(jì)算網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性，對(duì)最速降線曲面1原有網(wǎng)格進(jìn)行了改進(jìn)，生成了網(wǎng)格數(shù)為的1 897 405的自適應(yīng)網(wǎng)格.圖2為原有網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格采用剪應(yīng)力輸運(yùn)κ-ω(SSTκ-ω)模型在送風(fēng)速度2.0 m/s的工況下，豎向曲面貼附區(qū)和空氣湖區(qū)軸線速度分布對(duì)比.比較結(jié)果可知自適應(yīng)網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果與原有網(wǎng)格軸線速度分布規(guī)律一致，豎壁貼附區(qū)兩者軸線速度平均差值為3.1%，最大差值為5.4%；空氣湖區(qū)平均差值為3.1%，最大差值為5.3%.比較結(jié)果顯示了采用原有計(jì)算網(wǎng)格(1 613 130網(wǎng)格數(shù))進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的有效性.

1.2 湍流模型的選擇

不同的湍流模型可用于室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)，采用貼附研究應(yīng)用較多的是Realizableκ-ε模型，重整化群(RNGκ-ε)模型，剪應(yīng)力輸運(yùn)κ-ω(SSTκ-ω)和基于線性壓力應(yīng)變的雷諾應(yīng)力(RSM-IP) ，結(jié)合文獻(xiàn)[4,17-18]的實(shí)驗(yàn)及模擬收斂情況，本文選用SSTκ-ω模型研究曲面貼附送風(fēng)模式.用這4個(gè)湍流模型分別對(duì)曲面貼附式送風(fēng)模式進(jìn)行了等溫工況預(yù)測(cè)，表2給出了4種模型下豎向和水平向軸線速度的大小，可以看出其余3個(gè)湍流模型豎直向軸線速度與SST湍流模型所得數(shù)據(jù)的平均偏差分別為2.3%，3.37%，3.37%.水平向空氣湖方面，SST湍流模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與剩余3個(gè)湍流模型的差值相對(duì)豎向貼附區(qū)大，分別為12.82%，16.01%，17.47%，這與文獻(xiàn)[4]研究的豎壁貼附射流送風(fēng)模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果的差值趨勢(shì)相似.在非等溫的工況下，SSTκ-ω湍流模型在預(yù)測(cè)拐角處的沖擊速度要表現(xiàn)的更好[19].

圖2 不同網(wǎng)格軸線速度分布比較Fig.2 Comparison of different mesh axis velocity

表2 4種湍流模型的豎向和水平向軸線速度對(duì)比

1.3 邊界條件和初始條件設(shè)置

本文研究最速降線曲面貼附式送風(fēng)模式在不同曲率下送風(fēng)速度和溫度的變化對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響，預(yù)測(cè)該送風(fēng)模式氣流組織的邊界條件和初始條件見(jiàn)表3.

表3 數(shù)值模擬邊界條件和初始條件參數(shù)設(shè)置

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同工況下最速降線曲面貼附射流氣流組織特性主要與房間內(nèi)氣流流型及射流主體軸線速度有關(guān).首先給出曲面貼附射流送風(fēng)模式等溫工況下全局流場(chǎng)和軸線速度分布情況；其次討論每種曲面的非等溫送風(fēng)模式下全局溫度場(chǎng)、工作區(qū)水平軸線溫度分布情況.

2.1 速度場(chǎng)分析

2.1.1 速度分布

曲率為0.236～0.436 m范圍內(nèi)的不同最速降線曲面在不同送風(fēng)速度下都能在工作區(qū)形成類(lèi)似于置換通風(fēng)的“空氣湖”狀速度分布(如圖3所示).對(duì)于同一曲率曲面，不同送風(fēng)速度下，豎向曲面貼附區(qū)流場(chǎng)分布相似，射流主體周?chē)h(huán)境空氣流速低于0.1 m/s，送風(fēng)能夠?qū)⑿迈r空氣和冷/熱量有效的送到空氣湖區(qū)；水平方向，射流主體速度衰減主要發(fā)生在地面0.4 m高度內(nèi)，隨著曲率的增加，速度衰減程度和離地面距離都會(huì)增加，但程度不大，其余區(qū)域速度分布均勻，形成空氣湖式速度分布.隨著送風(fēng)速度的增加，射流主體沿地面向前延伸擴(kuò)散的能力增強(qiáng)，但空氣湖內(nèi)速度最高不超過(guò)0.3 m/s，不會(huì)對(duì)人員造成吹風(fēng)感[19].送風(fēng)射流都會(huì)在房間右下側(cè)角落和房間右側(cè)中部形成量級(jí)較小的漩渦，曲率和速度的增大，漩渦都會(huì)相應(yīng)增大，漩渦內(nèi)空氣流速均低于0.1 m/s，對(duì)整體速度分布的影響可以忽略.

圖3 不同工況下曲面空間流場(chǎng)對(duì)比Fig.3 Comparison of curved wall space flow field under different conditions

2.1.2 軸線速度分布

圖4給出了三種曲率在不同速度下豎向曲面和水平向區(qū)域軸線速度的對(duì)比情況,為使距離從送風(fēng)口開(kāi)始計(jì)算，引入了一個(gè)相對(duì)距離參數(shù)y*，定義為：y*=h-y，其中h為房間高度，m；y為測(cè)點(diǎn)距地面距離，m.可得，豎向曲面貼附區(qū)，同一曲率的曲面墻壁，不同送風(fēng)速度下，豎向軸線速度分布規(guī)律一致；水平向空氣湖區(qū)不同送風(fēng)速度對(duì)應(yīng)的無(wú)因次軸線速度分布也基本一致，射流在轉(zhuǎn)向后存在一定的加速的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)約在x/L=0.48處.曲率變大時(shí)，加速段相對(duì)靠后，這主要是因?yàn)榍试龃螅D(zhuǎn)段位置靠后，范圍也越大.而且曲率越大，水平距離越靠后速度衰減越快.

圖4 同工況設(shè)置下無(wú)因次軸線速度對(duì)比(y*=h-y)Fig.4 Comparison of dimensionless axis velocity under the same condition: (y*=h-y)

2.2 溫度場(chǎng)分析

2.2.1 溫度分布

圖5為同一曲率曲面在室內(nèi)負(fù)荷一定下最速降線曲面空間溫度場(chǎng)，可知送風(fēng)速度相同，不同送風(fēng)溫度下，室內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)近似的分布規(guī)律.豎直向貼附區(qū)射流由送風(fēng)口送出后，與室內(nèi)環(huán)境空氣發(fā)生一定量的摻混，射流軸線溫度沿運(yùn)動(dòng)方向不斷增高，方向轉(zhuǎn)為水平向后，沿射流擴(kuò)散延伸方向，軸線溫度仍呈一定的增長(zhǎng)趨勢(shì).沿房間高度方向，室內(nèi)溫度呈現(xiàn)明顯的分層，工作區(qū)范圍內(nèi)，溫度分布均勻，區(qū)域內(nèi)頭腳溫差最大不超過(guò)3 ℃，工作區(qū)空氣湖內(nèi)人員舒適性較好.送風(fēng)溫度越低，豎直向及水平向?qū)?yīng)取值點(diǎn)軸線溫度值越小，同時(shí)沿房間高度方向?qū)?yīng)取點(diǎn)空氣溫度越小，但不同送風(fēng)溫度下，沿射流運(yùn)動(dòng)方向?qū)?yīng)取值點(diǎn)溫度與送風(fēng)溫度的差值大小近似一致.

圖5 曲面2不同工況下最速降線曲面空間溫度場(chǎng)對(duì)比Fig.5 Comparison of brachistochrone curved wall space temperature field under different conditions of surface 2

同一送風(fēng)溫度，不同送風(fēng)速度下，曲面空間溫度分布仍呈現(xiàn)近似的分布規(guī)律.送風(fēng)速度越高，豎直向貼附區(qū)射流主體軸線溫度衰減越慢，這將有助于能夠?qū)⒗淞坑行У南滤偷焦ぷ鲄^(qū)；沿工作區(qū)長(zhǎng)度及高度方向，空氣溫度梯度減小，均勻性增強(qiáng)，空氣湖均勻性進(jìn)一步提高，當(dāng)送風(fēng)速度為2 m/s，溫度t0≤19 ℃時(shí)，射流主體軸線溫度及工作區(qū)內(nèi)腳踝處空氣溫度數(shù)值較低，易造成室內(nèi)人員的吹風(fēng)感，其他工況都滿足人體熱舒適要求.因此工程設(shè)計(jì)中在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可以考慮采用較高的送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度，以提高送風(fēng)效率和工作區(qū)人員的舒適性.

2.2.2 軸線溫度分布

圖6給出了曲面2在室內(nèi)負(fù)荷一定情況下的水平向貼附區(qū)剩余溫度對(duì)比，不同送風(fēng)速度及溫度工況下射流主體剩余溫度隨流動(dòng)距離的增加呈現(xiàn)近似一致的指數(shù)衰減規(guī)律，變化趨勢(shì)與尹海國(guó)[4]給出的豎壁貼附射流水平向空氣湖的相同.由于曲面貼附射流主流所走路線比豎壁貼附射流要長(zhǎng)，空氣湖主流區(qū)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的射流軸線剩余溫度比豎壁貼附射流的大.

圖6 曲面2不同工況設(shè)置下水平向貼附區(qū)剩余溫度對(duì)比Fig.6 Comparison of residual temperature in horizontal attachment area under different conditions of surface 2

2.3 關(guān)于最速降線曲面的推廣討論

根據(jù)以上對(duì)最速降線曲面空間貼附射流送風(fēng)模式的分析及最速降線的特點(diǎn)，本章所取最速降線所取曲率相比同等大小的圓形近似為0.236～0.436 m的范圍內(nèi)，并且該曲率范圍內(nèi)工作區(qū)的溫度和速度在不同工況下分布近似一致，這說(shuō)明在該曲率范圍內(nèi)的曲線的曲面空間貼附射流送風(fēng)模式也同樣適用，圖7為曲率近似都為0.336 m的情況下圓弧、最速降線和橢圓曲線在同種高度下的長(zhǎng)度和形狀比較，其中圓弧所用弧長(zhǎng)與最速降線相差0.028 m，橢圓曲線所用弧長(zhǎng)與最速降線相差0.029 m，可以忽略相差的曲線長(zhǎng)度.因此在曲率相差不大的情況下，最速降線曲面空間貼附射流送風(fēng)模式可以推廣應(yīng)用于其他曲面形狀，如橢圓弧、圓弧及拋物線等形狀的建筑空間內(nèi)的通風(fēng)空調(diào)氣流組織工程.

圖7 幾種曲線在相同高度(y=2.6 m)下的橫截面形狀Fig.7 Cross-section shapes of several curves at the same height(y=2.6 m)

3 結(jié)論

基于最速降線曲面，研究了最速降線曲面貼附送風(fēng)形式在不同曲率、送風(fēng)速度和溫度下室內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布.貼附送風(fēng)可以適用于一些曲面墻體，一種通風(fēng)效率較高的氣流組織形式.

(1)對(duì)于最速降線曲面空間內(nèi)的貼附送風(fēng)模式，在豎向曲面貼附區(qū)，軸線速度呈現(xiàn)出近似分布規(guī)律，曲率越大，速度衰減的越快；而在水平向空氣湖區(qū)方面，不同曲率下，平均軸線速度也呈現(xiàn)出近似的分布規(guī)律，射流在轉(zhuǎn)向后存在一定的加速.各工況下，送風(fēng)均能在工作區(qū)形成空氣湖速度分布，湖內(nèi)最高速度不超過(guò)0.3 m/s.曲率變大時(shí)，加速段相對(duì)靠后，這主要是因?yàn)榍试龃?，偏轉(zhuǎn)段位置靠后，而且范圍較大的緣故.

(2)在通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)規(guī)范參數(shù)范圍內(nèi)，曲率不變，對(duì)于一般高3 m左右的辦公建筑曲面空間高度方向，室內(nèi)溫度呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，工作區(qū)范圍內(nèi)溫度分布均勻，頭腳溫差最大不超過(guò)3 ℃，最速降線曲面貼附送風(fēng)模式能夠在工作區(qū)形成空氣湖狀溫度分布模式，滿足人員熱舒適性要求，當(dāng)送風(fēng)速度為2 m/s時(shí)，送風(fēng)溫度不宜低于21 ℃.

(3)貼附射流送風(fēng)能在具有最速降線曲面空間內(nèi)的工作區(qū)內(nèi)形成類(lèi)似于置換通風(fēng)的“空氣湖”狀速度及溫度分布，因此，貼附送風(fēng)模式可適用于最速降線曲面空間內(nèi)，能有效改善室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)氣流組織，并有助于推廣應(yīng)用于圓形、橢圓形和拋物線形等其他曲面形狀的建筑空間內(nèi)的通風(fēng)空調(diào)氣流組織工程中.