CN102663210B - 利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法 - Google Patents

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Abstract

利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，使用热环境数值模拟软件进行计算，其特征在于：当采用内壁面温度，即第一类边界条件作为内壁面数值模拟边界条件，并进行计算域网格划分时，沿围护结构内壁面法线方向上设置空气薄层，所设定的空气薄层为紧贴建筑表面的空气层，并随建筑表面形状的变化而变化；空气薄层厚度模拟建筑表面空气边界层底层厚度。在沿围护结构内壁面法线方向上所建立的空气薄层其厚度的网格划分应至少大于1个网格数。本发明利用空气薄层模拟建筑表面空气边界层，使表面换热充分体现实际情况，不仅方法简单，易于实现，而且较少计算工作量。本发明适用于室内热环境是由建筑表面对流换热形成的场合。

Description

利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法
技术领域
本发明涉及一种利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，属于建筑室内热环境模拟计算技术领域；适用于室内热环境是由建筑表面对流换热形成的场合。
背景技术
随着计算机技术的不断发展，利用计算流体力学数值模拟技术的应用领域越来越广，在建筑热环境研究中，数值模拟技术已成为主要的研究方法之一，许多数值模拟软件应运而生。热环境数值模拟软件一般是利用计算流体力学的基本控制方程，如质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等偏微分方程进行离散，并设置边界条件进行计算的一种软件，其中建筑内表面的流动及换热一般是通过湍流模型中各种壁面函数来描述和计算，通常软件中根据不同湍流模型提供有多种壁面函数模型。不同壁面函数在不同湍流模型中会导致不同的计算结果；由于壁面函数的计算结果受近壁面处粘性底层的网格尺寸影响较大，对建筑热环境模拟而言，如要满足内壁面粘性底层的网格尺寸，则整个建筑物理模型的网格数量将十分巨大，由此会导致计算结果的偏差和计算资源的大量消耗，上述计算方法在建筑热环境模拟中会造成建筑表面的热量释放或吸收与实际存在偏差，导致室内热环境模拟结果与实际不符。
对建筑内表面边界层换热的处理，目前往往通过数学模型来反映建筑内表面的换热现象。国内外许多学者根据不同建筑表面换热特征(如垂直表面、水平表面、自然对流换热、受迫流动换热等)建立了多种数学模型。由边界层理论可知，无论是何种特征的表面，表面换热都是通过建筑表面的空气边界层实现，在空气边界层中贴近建筑表面有一层流粘性底层，垂直于建筑表面的法向速度为零，粘性力起主要作用，建筑表面换热主要是由粘性底层来实现。在热环境数值模拟软件中建筑表面换热主要依据软件使用者所选用的边界层壁面函数，通过建筑表面的网格节点的数值计算来完成的。由于建筑表面网格大小有时很难与所设定的壁面函数相匹配，因而导致建筑表面的换热不能与实际相符，从而导致室内热环境模拟结果偏离实际。
因此在对建筑热环境模拟时，非常需要寻找一种方法能使边界层模型更好地反映建筑表面换热现象，使热环境模拟结果更符合实际。
发明内容
本发明公开了一种利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，可以有效克服现有的热环境数值模拟计算由于采用各种壁面函数描述，造成建筑物理模型的网格数量十分巨大，不仅计算耗时耗力，而且计算误差大，同时建筑表面网格大小很难与所设定的壁面函数相匹配，导致室内热环境模拟结果与实际不符等弊端。
本发明技术方案是这样实现的：
利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，使用热环境数值模拟软件进行计算，其特征在于：在应用数值模拟软件时,当采用内壁面温度，即第一类边界条件作为内壁面数值模拟边界条件，并进行计算域网格划分时，沿围护结构内壁面法线方向上设置空气薄层，所设定的空气薄层为紧贴建筑表面的空气层，并随建筑表面形状的变化而变化；空气薄层厚度与建筑表面空气边界层底层厚度同一数量级，使得建筑表面的热量得以释放或者充分吸收环境空气热量。
在应用数值模拟软件时,所述的计算域网格划分，在沿围护结构内壁面法线方向上所建立的空气薄层其厚度的网格划分应至少大于1个网格数。
所述的空气薄层，温度设定与对应的建筑内壁面温度一致。
为使空气薄层能更好地反映实际边界层换热情况，本发明规定了空气薄层必须紧贴建筑内表面，其形状随建筑内表面形状变化而变化；空气薄层的网格划分可以采用六面体网格或四面体网格划分；空气薄层厚度与边界层底层厚度为同一个数量级(两者厚度的倍数低于10)，内壁面薄层厚度方向上网格数量大于一个。
本发明利用空气薄层模拟建筑表面空气边界层，使表面换热充分体现实际情况，方法简单，易于实现，不仅大大减少计算工作量、节能节时，而且由于在建筑内表面设置空气薄层，使建筑热环境模拟结果更符合实际。特别适用于室内热环境是由建筑表面对流换热形成的场合。
附图说明
图1是本发明实施例数值模拟计算物理模型；
图2是本发明建筑内表面设置的空气薄层示意图；
图3是建筑屋顶内侧设置的空气薄层示意图；
图4是屋顶内侧无空气薄层室内垂直温度分布模拟结果与实测结果对比图；
图5是应用本发明在屋顶内侧设置空气薄层后室内垂直温度分布模拟结果与实测结果对比图。
1、送风口；2、回风口；3、建筑坡屋顶一；4、建筑坡屋顶二；5、建筑坡屋顶三；6、南窗一；7、南窗二；8、南墙一；9、南墙二；10、南墙三；11、南墙四；12、北窗一；13、北窗二；14、北墙一；15、北墙二；16、北墙三；17、北墙四；18、东墙一；19、东墙二；20、东墙三；21、东墙四；22、东墙五；23、西墙一；24、西墙二；25、西墙三；26、西墙四；27、西墙五；28、地板；29、空气薄层；30、近壁面网格分布。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，其数值模拟计算物理模型如图1所示、建筑内表面设置的空气薄层如图2所示，建筑屋顶内侧设置的空气薄层如图3所示。
实例建筑为坡屋顶结构，对该建筑内进行热环境模拟时，空调系统通过送风口1将处理过的空气送入室内，实验送风温度为15.2℃，送风速度为9.3m/s，通过回风口2回风。建筑坡屋顶一3、建筑坡屋顶二4和建筑坡屋顶三5内表面采用表面设置空气薄层29的方法，空气层29形状沿坡屋面呈坡状紧贴建筑坡屋顶一3、建筑坡屋顶二4和建筑坡屋顶三5；空气薄层的厚度与表面对流换热边界层底层为同一数量级，及两厚度的倍数在1～10之间，根据公式y+＝yuτ/v≤60(式中y为离壁面的垂直距离，uτ为离壁面y厚度时空气平行于壁面的流动速度，v为空气动力粘度)，计算得出边界底层厚度为17.5mm，考虑模型中网格质量的要求，本例中近壁面网格厚度取12.5mm，近壁面网格分布30在垂直方向上网格数量为2个，即空气薄层厚度为25mm；空气薄层温度的设定与对应的坡屋面的温度设定一致，建筑围护结构内壁面温度均采用第一类边界条件，即采用实测值设定围护结构内壁面温度。由现场实测结果得到：建筑坡屋顶一3、建筑坡屋顶二4和建筑坡屋顶三5的壁面温度分别为：35.9℃、38.4℃、36.4℃；南窗一6和南窗二7的壁面温度分别为：32.3℃、33.9℃；南墙一8、南墙二9、南墙三10和南墙四11的壁面温度分别为：29.4℃、29.7℃、30.7℃、30℃；北窗一12和北窗二13的壁面温度分别为：32.2℃、33.4℃；北墙一14、北墙二15、北墙三16和北墙四17的壁面温度分别为：29.2℃、28.7℃、30℃、29.5℃；东墙一18、东墙二19、东墙三20、东墙四21和东墙五22的壁面温度分别为：28.9℃、29.4℃、30.4℃、35.3℃、37.1；西墙一23、西墙二24、西墙三25、西墙四26和西墙五27的壁面温度分别为：28.8℃、29.2℃、31.1℃、32.7℃、34.5℃；地板28的表面温度为30.1℃。
比较有、无空气薄层的模拟结果图4和图5可知，无空气薄层时，建筑室内上部空气温度偏离实验测试结果较大，如离地8m处模拟结果低于实验值5.7℃，下部空气温度受上部温度的影响与实验测试值有不同程度的偏差，垂直温度的计算值与实测值的最大相对误差为19％；而有空气薄层时，8m处模拟结果高于实验值0.3℃，垂直温度的计算值与实测值的最大相对误差为7％，模拟结果基本接近实验测试值。,空气薄层的增加有效地改善了坡屋面附近的空气模拟结果，空气温度在垂直方向上温度分层更为明显，模拟结果更符合实际情况。

Claims (3)

1.利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，其特征在于：在应用数值模拟软件时,当采用内壁面温度，即第一类边界条件作为内壁面数值模拟边界条件，并进行计算域网格划分时，沿围护结构内壁面法线方向上设置空气薄层，所设定的空气薄层为紧贴建筑表面的空气层，并随建筑表面形状的变化而变化；空气薄层厚度与建筑表面空气边界层底层厚度同一数量级，使得建筑表面的热量得以释放或者充分吸收环境空气热量。
2.根据权利要求1所述的利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，其特征在于：在应用数值模拟软件时,所述的计算域网格划分，在沿围护结构内壁面法线方向上所建立的空气薄层其厚度的网格划分应至少大于1个网格数。
3.根据权利要求1所述的利用建筑内表面设置空气薄层实现室内热环境数值模拟的方法，其特征在于：所述的空气薄层，温度设定与对应的建筑内壁面温度一致。
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