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定风场中庭院建筑资用风压模拟研究_图文

定风场中庭院建筑资用风压模拟研究? 沈阳建筑大学 李 威,冯国会,梁传志,江向阳,宁经洧 摘 要:以计算流体力学理论为基础,采用数值的方法定性的分析其迎风面与背风面的总压力之差, 并与宽度和高度相同的底层非全架空庭院建筑周围风环境进行了比较分析.得到了底层全架空的庭院建 筑和底层非全架空的庭院建筑周围速度场、压力场、迹线图的分布情况,并对结果进行了对比、分析.同 一位置高度上, 底层全架空庭院北楼资用风压的均值随着风速增加先增大后减小;底层非全架空庭院北楼 资用风压的均值随着风速增加而增大.三种风速下, 底层全架空庭院北楼资用风压的均值大体上随着位置 高度增加而增大;底层非全架空庭院北楼资用风压的均值随着位置高度的增加而减小;底层全架空北楼的 资用风压基本上大于底层非全架空结构北楼, 并且同层资用风压的波动较小.该结论可作为底层架空庭院 建筑周围风环境研究的前期指导和风洞验证. 关键词:底层架空庭院建筑;风场;资用风压;数值模拟 多层或高层民用建筑如办公楼、教学楼、住宅楼等,这些建筑物中大多数没有机械通风式的中央空 调系统或在每个房间装有各种窗式、 分体式的空调器等[1].在这些建筑物中, 充分利用自然通风是十分重 要的,但如何合理、有效地利用自然通风是一个极其复杂的课题,影响自然通风效果的因素很多[2].建筑 底层架空空间作为城市公共开放空间已受到人们的普遍欢迎和关注[3],其研究具有现实意义. 以计算流体力学理论为基础,采用数值的方法定性的分析底层全架空庭院建筑(如图 1(a)所示)迎风 面与背风面的总压力之差,并与宽度和高度相同的底层非全架空庭院建筑(如图 1(b)所示)周围风环境进 行了比较分析, 分析底层架空结构对通风的影响, 得到了底层全架空庭院建筑和底层非全架空庭院建筑 周围速度场、压力场、迹线图的分布情况,为研究底层架空庭院建筑周围风环境的前期指导和风洞验证 提供理论基础. 1 数值模拟方法 1.1 物理模型 以沈阳建筑大学的架空庭院建筑的数值模拟对象.建筑楼体共 5 层, 底层为架空层.整楼高为 21.3m, 架空底层高为 4.3m. ? 基金项目:国家外国专家局重点项目(DZ20062100070) ;建设部科技攻关项目(05-k3-26). 作者简介:李威,男,硕士研究生,主要从事建筑节能和建筑环境保障技术研究. (a) 底层全架空 图 1 底层全架空及非全架空模型 (b) 底层非全架空 图 2 庭院平面图 把庭院模型的四栋围楼根据方位分别称为东楼、南楼、西楼和北楼,如图 2 所示.两楼之间由一个大 厅连接.大厅的尺寸为 18.6m×18.6m×21.3m.即整个庭院模型由东楼、南楼、西楼、北楼及连接两楼的 4 个大厅组成.底层全架空庭院模型中,东楼、南楼、西楼和北楼都是底层架空的建筑;而底层非全架空 庭院模型中,东楼、南楼、西楼和北楼不都是底层架空的,只有南楼和北楼是底层架空的,东楼和西楼 是底层非架空的.这两个庭院模型的外观尺寸基本一致(97.2m×97.2m×21.3m).对比底层全架空庭院 和底层非全架空庭院北楼的周围风场. 1.2 计算区域确定 根据文献[4-8],确定计算区域:上游区域、下游区域分别为建筑物宽度的 3 倍和 10 倍,宽度为建 筑物宽度的 6 倍,高度为建筑物高度的 4 倍.以 L、B 和 H 表示计算区域与建筑( l ? b ? h )相平行边 的长度,则计算区域可表示为 L= 2.5l ? l ? 2.5l ,B= 3l ? l ? 10l 和 H=4h. 1.3 控制方程 室外大气底层一般属于低速湍流流动范围,并且风速呈典型的梯度分布.常温空气为黏性、不可压 缩流体,符合 Boussinesq 假设.故选取如下控制方程和湍流模型. 湍流流动控制方程采用张量形式的雷诺平均 Navier-Stokes 方程,描述如下: 质量守恒 ?U i ?0 ?X i (1) 式中: U i , X i 为无量纲速度和无量纲长度. 动量方程 ?(U iU j ) ?X i ?? ?U 2 ?P ? 1 ? [( ? ? t ) i ? k ] ?X i ?X i Re ?X i 3 (2) 式中:P 为无量纲压力;Re 为雷诺数;? t 为无量纲空气黏度; k 为无量纲湍流动能[9]. 湍流动能输运方程 ?(U i k ) ? 1 ? ?k ? [( ? t ) ]? P ?? ?X i ?X i Re ? k ?X i (3) 式中: ? k 为湍流模型参数[10], 取 1.0 ; ? 为湍流动能耗散率. 湍流动能耗散率输运方程 ?(U i ? ) ? 1 ? ?? ? ?2 ? [( ? t ) ] ? c1 f1 P ? c2 f 2 ?X i ?X i Re ? ? ?X i k k (4) 式中: ? ? 为湍流模型参数,取 1.3;系数 c1 , f1 , c2 , f 2 分别取 1.44,1.0,1.92,1.0 . ?U i ?U i ?U j k2 平均剪切应力产生项 ? ? ? t [ ? ] ,? t 由下式计算? t ? c ? f ? ? ?X j ?X j ?X i 式中:系数 c? , f ? 分别取 0.09,1.0 . 上述无量纲量的定义为 [11] (5) Xi ? xi u U L p k? ?? ,U i ? i , P ? , k ? , ? ? , Re ? 0 0 2 2 2 L0 U0 ? ?U 0 U0 U0 (6) xi , ui , p, k ? , ? ? 分别代表有量纲的坐标张量、速度张量、压力、湍流动能及湍流动能耗散率, ? 为 动力黏度. 1.4 计算方法 采用有限体积法对上述偏微分方程组进行离散.其中,对扩散项采用中心差分方法,而对流项采用 QUICK 差分方法.采用 SIMPLE 算法和交错网格技术来实现压力和速度的解耦,以避免不合理压力、速

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