雙層幕墻熱氣流流體動力學熱工模擬

　　雙層幕墻是一種新型的節能玻璃幕墻，它通常由外層單層玻璃和內層中空玻璃組成，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散熱能力，在設計時會在熱通道內安裝遮陽百葉，并在進出風口處設置排氣裝置。

　　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，產生熱浮力而形成自然熱氣流，又稱為“煙囪效應”。為增強雙層幕墻的“煙囪效應”，必須對熱通道內的熱氣流流動規律進行研究，對此，前文[1]已用有限元分析法作過計算。本文利用太陽能發電驅動風機對雙層幕墻進行強迫送風，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)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，對雙層幕墻節能技術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

　　參照國內外在使用CFD技術模擬雙層玻璃幕墻通風傳熱方面的經驗[2]~ [10]，以及本幕墻系統的構造特點，我們作以下的基本假設：(1)穩定的外界環境條件；(2)熱通道內的空氣為不可壓縮牛頓流體，并且滿足Boussinesq假設；(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；(6)忽略室外風速的影響。

　　1.2 數學模型

　　空腔內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假設建立三維穩態方程組[11]。

　　連續性方程：

　　 (1)

　　式中——空氣密度，是溫度的函數，；

　　u、v、w ——x、y和z方向的速度分量，m/s。

　　狀態方程：

　　 (2)

　　式中Ｐ——壓力，Pa；

　�。摇�—氣體常數，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；

　　——與相對應的廣義擴散系數；

　　——與相對應的廣義源項。

　　1.3 氣象條件與物性參數

　　依據氣象條件參考文獻[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，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。

　　根據工程實際外層玻璃的物性參數[13]選�。�傳熱系數5.7 W/(m2*K)，吸收率0.59、反射率0.10、透射率0.31；內層中空玻璃：傳熱系數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

　　雙層幕墻內的空氣在吸收太陽輻射后，空氣密度變小，從而產生熱氣流的流動，在不同的室外氣溫條件和太陽輻射照度下，流態可分成層流及紊流兩種形式，其判別的依據是雷諾數(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，既可能是層流也可能是紊流流動，要結合實際情況判別[14]。根據幕墻系統的尺寸和氣象條件，在計算出相應的Re后作流態判別，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�？諝獾拿芏茸兓�采用Boussinesq假設，以準確模擬雙層幕墻內因溫差而產生的自然對流現象。

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

　　2.求解策略及計算結果

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

　　自然熱氣流是指“煙囪效應”產生自然流動的氣流;強化熱氣流是指由太陽能發電提供給蓄電池驅動小風扇送風(或稱強化“煙囪效應”)。熱功率則指從出風口每小時由熱通道氣流帶走的熱空氣能量。關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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