雙層幕墻熱氣流流體動力學(xué)熱工模擬

　　雙層幕墻是一種新型的節(jié)能玻璃幕墻，它通常由外層單層玻璃和內(nèi)層中空玻璃組成，兩層幕墻中間形成了空氣流動的熱通道。為增強雙層幕墻的遮陽效果和通風(fēng)散熱能力，在設(shè)計時會在熱通道內(nèi)安裝遮陽百葉，并在進出風(fēng)口處設(shè)置排氣裝置。

　　雙層幕墻的外層玻璃受太陽輻射熱作用，熱通道的空氣被加熱，產(chǎn)生熱浮力而形成自然熱氣流，又稱為“煙囪效應(yīng)”。為增強雙層幕墻的“煙囪效應(yīng)”，必須對熱通道內(nèi)的熱氣流流動規(guī)律進行研究，對此，前文[1]已用有限元分析法作過計算。本文利用太陽能發(fā)電驅(qū)動風(fēng)機對雙層幕墻進行強迫送風(fēng)，并研究強化熱氣流的成因，首先建立熱氣流流動的三維流體動力學(xué)模型，借助FLUENT軟件對雙層幕墻進行熱工模擬，計算在無遮陽、遮陽百葉全開、遮陽百葉封閉等三種工況下強化熱氣流的溫度場和速度場，并與自然熱氣流(即無強迫送風(fēng))的情況進行對比，從而對強化熱氣流流量及熱功率顯著增加的原因進行探討，對雙層幕墻節(jié)能技術(shù)的改進有重大的實用意義。

　　1.物理模型及邊界條件

　　1.1 基本假設(shè)

　　參照國內(nèi)外在使用CFD技術(shù)模擬雙層玻璃幕墻通風(fēng)傳熱方面的經(jīng)驗[2]~ [10]，以及本幕墻系統(tǒng)的構(gòu)造特點，我們作以下的基本假設(shè)：(1)穩(wěn)定的外界環(huán)境條件；(2)熱通道內(nèi)的空氣為不可壓縮牛頓流體，并且滿足Boussinesq假設(shè)；(3)不考慮玻璃壁面蓄熱；(4)假定幕墻密封性能好，不考慮空氣滲透；(5)常溫下幕墻材料特性與溫度無關(guān)；(6)忽略室外風(fēng)速的影響。

　　1.2 數(shù)學(xué)模型

　　空腔內(nèi)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(chǎn)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(shè)建立三維穩(wěn)態(tài)方程組[11]。

　　連續(xù)性方程：

　　 (1)

　　式中——空氣密度，是溫度的函數(shù)，；

　　u、v、w ——x、y和z方向的速度分量，m/s。

　　狀態(tài)方程：

　　 (2)

　　式中Ｐ——壓力，Pa；

　　Ｒ——氣體常數(shù)，R=287J/(kg·K)；

　　Ｔ——空氣溫度，K。

　　動量方程和能量方程可以寫成通用形式：

　　 (3)

　　式中——通用變量；

　　——與相對應(yīng)的廣義擴散系數(shù)；

　　——與相對應(yīng)的廣義源項。

　　1.3 氣象條件與物性參數(shù)

　　依據(jù)氣象條件參考文獻[12]，選擇夏季(最熱時)，平均太陽輻射照度為591.00 W/m2；參考氣壓取為標準大氣壓，101325 Pa；空氣密度，1.1133 kg/m3；空氣熱膨脹系數(shù)，0.003225(1/K)；空氣比熱，1006.43J/(kg*K)；室外計算溫度，38.1℃；重力加速度g = 9.81 m/s2。

　　根據(jù)工程實際外層玻璃的物性參數(shù)[13]選取：傳熱系數(shù)5.7 W/(m2*K)，吸收率0.59、反射率0.10、透射率0.31；內(nèi)層中空玻璃：傳熱系數(shù)1.8 W(/m2*K)，吸收率0.49、反射率0.25、透射率0.26。

　　1.4 模型選擇與邊界條件

　　雙層幕墻內(nèi)的空氣在吸收太陽輻射后，空氣密度變小，從而產(chǎn)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(tài)可分成層流及紊流兩種形式，其判別的依據(jù)是雷諾數(shù)(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(tài)，既可能是層流也可能是紊流流動，要結(jié)合實際情況判別[14]。根據(jù)幕墻系統(tǒng)的尺寸和氣象條件，在計算出相應(yīng)的Re后作流態(tài)判別，夏季和夏季(熱)兩個系列工況里采用的是RNG 紊流模型，冬季的系列工況則采用層流(laminar)模式。空氣的密度變化采用Boussinesq假設(shè)，以準確模擬雙層幕墻內(nèi)因溫差而產(chǎn)生的自然對流現(xiàn)象。

　　在邊界條件設(shè)置方面，自然送風(fēng)情況下的進風(fēng)口、出風(fēng)口分別設(shè)置為壓力進口(Pressure-Inlet)與壓力出口(Pressure-Outlet)，并給定相應(yīng)的壓力、溫度及紊流參數(shù)。而強迫送風(fēng)時，需要根據(jù)風(fēng)扇的流量-壓力曲線在進風(fēng)口處給定相應(yīng)的壓升參數(shù)。內(nèi)外層玻璃則根據(jù)熱平衡方程，給定固壁溫度邊界條件，作為浮力產(chǎn)生的驅(qū)動因素。熱通道頂端和底部等其他區(qū)域設(shè)置為絕熱壁面[15]。

　　2.求解策略及計算結(jié)果

　　雙層幕墻進風(fēng)口面積：142×1200 mm2，出風(fēng)口面積：276×1200 mm2，熱通道間距187mm，高度2500mm，建模時采用三維笛卡爾坐標，網(wǎng)格劃分主要采用六面體結(jié)構(gòu)單元，模型的體單元數(shù)目為200萬。每個case經(jīng)過約8000個迭代步的運算后，流域里監(jiān)測點的速度、壓力和溫度基本上達到穩(wěn)定的狀態(tài)，這時即認為計算收斂，可進入后處理階段，對計算結(jié)果進行分析[16]。

　　自然熱氣流是指“煙囪效應(yīng)”產(chǎn)生自然流動的氣流;強化熱氣流是指由太陽能發(fā)電提供給蓄電池驅(qū)動小風(fēng)扇送風(fēng)(或稱強化“煙囪效應(yīng)”)。熱功率則指從出風(fēng)口每小時由熱通道氣流帶走的熱空氣能量。關(guān)閉是指遮陽百葉開度為0°即各層葉片處于垂直位置，不透光;全開是指遮陽百葉開度為90°即各層葉片處于水平位置，部分透光;無遮陽就是遮陽百葉沒有放下，對陽光完全沒有遮蔽。按上述多種組合后分六種工況數(shù)值計算，得到溫度、速度分布模擬效果見圖1到6，對比見表1。

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