毕业论文查重

空调散热影响下小区风环境分析

随着国内经济的快速发展,人们对生活条件的要求也越来越高,如何创造一个舒适的居住环境与人们的生活质量息息相关。本文针对风环境和热环境展开调查与研究,为今后小区的规划与建设提供可行性建议。一个良好的风环境不仅可以给居民带来舒适,更是行人活动的安全保障。小区的多栋建筑林立,难免会改变风的走向,小区周边的风环境都受到一定的影响,因为建筑的阻挡势必产生风涡,不仅造成行人的出行不便,如果造成风灾事故,损失更是无法预计,所以我们要对风环境给予极大的重视。在夏季来临的时候,由于高层建筑的密度过大,通风较差,导致空调散出的热量滞迂,大量空调的使用散发出巨大的热能,气温越来越高,热岛效应的出现使风环境得条件更加恶劣,严重影响周围的居民、行人的热舒适度。风环境与热环境是息息相关且相互影响的,良好的风循环,不仅能缓解空调散发出的热量,还能带走空调排出的污浊之气,保持小区通风空气清新,所以研究小区风环境和热环境是刻不容缓的。
本文采用计算流体力学数值模拟方法,运用GAMBIT建模分析,研究平阳里小区展的风环境和热环境,通过研究的需要,改变风速,风向,温度的参数,得出不同风况下的云图,进行全方位的对比分析,探究空调散热下的风环境以及行人舒适度。
1.1研究背景
通过调察我们发现,平阳里小区大部分住户都装配了空调,在盛夏之际,会有大量空调的使用而散发出巨大的热能,小区的建筑密度大小,会影响排风能力以及建筑间的散热,进而影响到居民的舒适和生活质量。通过调查厦门市月均温数据我们发现,近几年厦门温差出现大幅度的上升,热岛效应从市中心向郊区扩散,对建筑周边环境和居民的生活产生极大的影响,现收集了国内外空调散热影响下风环境的研究结果,通过建模,模拟小区风环境,热环境进行分析探讨,通过全面的比较,对平阳里小区空调散热影响的风环境进行预测及评估,营造一个健康、舒适、安全的小区环境,为合理的城市规划与设计提供建设性意见。关于风的定义:即风压差与热压差所产生的非机械式通风。风环境指的是风在空间地域上的一种分布状态,在研究风环境的时候,我们一般分为三种情况:高空风场、近地风场和冠层风场。在风环境的研究过程中,平面层次和尺度的不同直接影响到研究的核心内容,使其在垂直方向上的研究区域产生较大的差异。最早的风环境分析技术开始于1807年,LukeHoward(英国化学家)对伦敦气候的研究,由于对热岛效不断的探索,促使许多国家开始研究城市气候,以至于后来演变出成熟的风环境分析技术。从早期的实地测试,演进到后来的物理模拟,如今的计算机数值模拟,这三种技术都有各自的便捷性和实用性,虽然各地城市的风环境研究存在时间和空间的差异,但是在演进的过程中并没有出现技术断代。

1.2国内外风环境研究进展
   国内外对风环境的研究还是居多的,很多文献都具有代表性意义,但是研究的建筑体系结构布局都是比较单一,建筑体受到风环境影响的多种多样、复杂的模型建立、风洞试验都是导致实验难以进行的因素。赵炎(2008)提出住宅小区室外热环境的实测与模拟这样一个研究。文章指出高强度的人为活动造成大量人为热的排放,然而不合理的建筑布局会产生风速死区,进而导致热岛效应的产生。赵炎针对小区的三维物理模型进行研究,运用计算流体力学数值模拟方法模拟小区的热环境,结合实地测试法,分析小区的热环境问题,并对此作出改善措施。宋宇(2007)针对沈阳某建筑室外风环境进行研究,文中表示室内风环境和建筑室外风环境互相影响,二者有着密切的联系,比如建筑周围的气流会将房间内形成的热量扩散到外围的空气中,文中通过CFD对室外风环境进行模拟,研究比较室内外的流场和风压,对此作出相应的风环境评估。西方国家对风环境、热环境的探索也是不断前行的,他们最开始意识到在整个建筑规划过程中风环境、热环境是起到非常重要的影响。最早期的新建建筑相关法令规定是在日本、北美、澳大利亚等国家颁布的,文献中明确规定建筑开发商在建前及建后都要有相应的风环境评估。早期W.D.Baines 便投入到高层建筑周围风环境的探索历程,通过无数次的实地考察和风洞试验,最终得出了高层建筑的高处气流对低处气流的影响,研究表示高层建筑的高处气流会把高能量引到建筑底层,由于能量剧增,会在地面产生一定的风速,影响行人的舒适度。再后来Livesey等人进行了一个特别的风洞试验,他们在风环境的分布区域铺上固体小颗粒,通过观察模型处颗粒的分布,运用自制的程序进行图像处理,对各个部分的风环境做出准确的评估。现如今越来越多复杂的建筑群体相继出现,对于风环境的分析研究将会考虑到更多的问题,如何创造一个良好的风环境,营造一个健康、舒适、绿色的小区环境也迫在眉睫。
1.3研究理念
当今节能与环保问题受到越来越多的关注,“生态建筑”、“节能建筑”这样的名词已不在陌生,倡导节能与环保是建筑界解决能源危机和生态危机的方法之一,通过调查发现,相对于国外,国内对生态建筑的研究历程较短,还需要很漫长的一个过程。在发展生态建筑的过程中,研究发现建筑物本身的形状和尺寸对风环境的影响不容小觑,以及建筑群本身的格局也是与风环境息息相关的,当迎面而来的气流受到高层建筑的阻挡直至形成方向90°的气流,此时高层建筑的背风区域会形成风影,风影覆盖的面积非常大,形成的无风区域影响建筑周边的通风问题。与此同时建筑需要考虑到防风问题,控制建筑室内外的空气对流,这样不仅能保证室内的温度还能降低采暖能耗,体现生态建筑的意义,在过渡季节的时候,适当的通风能让建筑周围的气流与室内进行流通,将室内的热量排到室外,自然的通风不仅能降低建筑空调能耗,而且还可以确保室内空气的新鲜,降低室内CO2浓度。本文借此课题,不仅可以探索平阳里小区空调散热影响下的风环境问题,还能对平阳里小区的布局以及个别建筑物本身展开一定的研究探讨,在这次的课题研究中发现今后的高层建筑设计中,要以低碳经济、建筑节能为主,倡导可持续发展理念。

1.4研究内容
    本文对“空调散热影响下小区建筑间风环境分析”这个课题进行研究,目的是对平阳里小区空调散热影响的风环境进行预测及评估,通过不同风速、不同风向、不同温度下的风环境和热环境进行对比分析,为今后参与的小区建设提供意见和经验,在学习调查过程当中学会分析问题,解决问题,并熟悉Gambit,Fluent软件。目前对住宅小区风环境研究的常用方法有风洞试验、计算机数值模拟,本文收集了大量的国内外风环境、热环境的相关文献,进行分析比较,吸取研究经验,为接下来的研究工作奠定基础。随着城市化脚步飞快的发展,我们生活中的高层建筑越来越多,越来越密集的建筑使我们城市的环境受到严重的挑战。在改善城市热环境的同时,必须重视城市的规划与设计、建筑的设计等问题,同时也要关注能源危机和全球气候变暖的问题,特别是随着人们对热环境的要求越来越高,每年消耗了大量的建筑和能源排耗。热舒适度分为稳态环境热舒适度和动态环境下热舒适,二者有较大的差别,无论是从生理健康的角度还是从节约能耗的角度,二者都有其研究的意义。平阳里小区位于厦门的西北部,属于亚热带季风气候,常年多受东北风、东南风的影响,温和多雨,平均风速3.4m/s,本文针对东北风、东南风影响下,小区空调散热下的风环境进行分析。(气温取恒定值T=35℃,对变换入口风速V,空调散热温度t进行分析)得出下类的风况:
⑴当受到东北风影响: 空调散发的热源(t=76℃/45℃);入口风速(V=0.1m/s、1m/s、3m/s)
⑵当受到东南风影响: 空调散发的热源(t=76℃/45℃);入口风速(V=0.1m/s、1m/s、3m/s)
                   


第二章数值模拟理论与建模
2.1 有限体积法与流动控制方程
   计算流体力学的的主要内容有:流体力学的控制方程组、CFD控制方程组、微分方程的离散化、计算流体力学的基本方法。大多数的传热、传质问题,都是通过实验研究和近似解法入手的,因为微分方程往往是一组非常复杂的非线性偏分方程,一般很难获得方程的精确解。目前,在解决实际问题通常用传热问题的数值法,通过离散近似,得到某些节点的近似值,在求解的过程中需要建立相关的离散方程,结合给定的微分方程和基本物理定律进行求解。关于数值求解方法在传热学里有很多种,如何划分子区域和确定节点以及建立离散方程是不同数值解法的区别所在。在相关研究中,最常用的方法就是有限体积法,又称控制体积法,它属于有限差分法的范畴,它将计算区域分成不同的控制体积,通过积分一系列有限大小的体积来导出离散方程,为了完成控制体积的积分,在网格上必须假设一个值,观察它在分布剖面的变化规律。很多复杂的传热问题上,在检验数值准确度的时候需要用上分析解,但是我们不一定能得到设想的分析解,但是它的作用还是不容忽视的。运用fluent软件对风的流动进行模拟主要采用湍流模型封闭对方程进行离散,在稳态状态下,可以将模型进行扩展与N-S方程统一后得到表达式(1):
                                             (1)
其中:——平均速度分类(=1,2,3)
      ——湍流动能
      ——湍能耗散率
      ——有效扩散系数
      ——源项
   运用该方程求解需对特定风场计算域进行网格划分,界定计算区域后对固体壁面和边界面增设一定的边界条件,而后进行网格区域离散方可保证方程顺利地求解。
2.2传热学理论
   传热学基本内容包括:导热、对流换热、辐射换热。本文此次研究的是对流换热,对流换热指的是流动的流体与其接触的固体、流体或气体由于温差的原因而产生的能量与热量的传递过程。产生对流换热的条件有两个:1流动的质点产生宏观位移;2两个物体间出现相对位移。对流换热,顾名思义就是对流和导热两个过程同时出现,它既有分子间的导热作用,又有流体间的对流作用,密度差引起的自然力和外界强制外力的牵引都是产生对流换热的基本原因。对流换热符合一个关系式Q=h•A(t2-t1),h为对流换热系数,即为换热量与对流面积和二者的温差成正比。
2.3 建模
2.3.1几何模型
 Gambit是一款几何建模和网格生成的软件,它有多种方式直接建立点、线、面、体,具有全面的三维几何建模能力,强大的布尔运算能力使它在众多的CFD前处理软件中稳居上游。在操作中可以直接导入大部分CAD/CAE软件建立的几何和网格,例如:ANSYS、PRO/E、PATRAN等,大大减轻了操作者的工作量,还能快速、灵活、自动修补几何功能,保证几何质量,强大的几何修正功能能准确保证几何体的精度。Gambit具备专用的网格划分算法,网格划分能力也是非常强大的,可以精确划分CFD特殊要求的高质量网格,针对极其复杂的几何区域,Gambit智能化选择网格划分方法,可以划分出相邻区域网格连续的完全非结构化混合网格,生成并导出FLUENT、ANSYS等解算器需要的网格和格式。
 建立平阳里小区二维模型和计算域,Gambit的建模顺序通常是点、线、面、体,我们可以采用坐标的方式建立点,也可以采用栅格选点的方式,为了建模的方便,我们对小区的二维模型简化处理,平阳里总共由16栋大小不一的建筑物组成,长约287m,宽约183m,我们通过坐标的方式建立点再连成直线,依此构成一个面来建立小区的建筑模型,如图2-1为平阳里小区的二维模型图。根据气象局调查,厦门的主导风向是东北风和东南风,平均风速2.3m/s,为了研究该小区空调散热下的风环境,我们的计算区域大小为8897m×3843m。如图2-2。                                        
                                       

 

 

 

 

 

                                               
                                               


2-1 平阳里小区的二维模型图

 

 

 

 

 

 

2-2计算域与小区模型
2.3.2网格划分
    在数值计算中,网格划分的好坏、网格的数量和质量都是至关重要的,一般网格的种类是多种多样的,还有混合体,最难的是结构化的网格。对于网格数量来说,网格越多计算结果越精确,但是我们需要耗费更多的计算时间,所以我们只能控制合理的网格数量。本文的网格划分情况如图2-3、图2-4。

2-3 模型的网格划分

2-4 模型网格划分细节图

 

第三章风环境评估
3.1 计算结果的收敛性
Fluent有着先进的物理模型、数值方法,可以求解流体、热传递及辐射等工程问题,是目前比较流行的CFD软件包,强大的前后处理功能使它广泛应用于航空航天、机械设计、石油天然气等方面的问题,它的网格生成包括二维三维,还兼并有非结构网格生成程序,对复杂的网格生成非常有效。在求解精确、有着较大梯度的流场当中,Fluent的自适应网格能力有着非常重要的作用,只需要在加密的流动区域实施,节约了大量的计算时间。 Fluent边界条件的设置是繁琐的也是非常关键的一步,在建模过程中,Gambit需要设定边界种类,Fluent求解器再对其进行边界设定。在选择求解器的时候,Fluend中的辐射模型有5种:Rosselang模型、P1模型、DTRM模型、S2S模型、DO模型,本文选择的是辐射模型Rosseland ,Rosseland辐射模型相对于P1模型计算得要快,节省内存,它不需要求解额外的入射辐射传输方程,点击OK即可,激活辐射模型等于自动打开能力求解器;
在进行Fluent软件计算的过程中,有一步就是判断数值的收敛性,函数的自变量趋向某一点,函数值的极限等于函数在该点的取值,就说明函数在该点收敛,函数的定义域在每一点都收敛,则该函数就是收敛的。分析计算的收敛,最常用的办法就是通过残差值来判断,但是某些特别问题只靠残差值来判断往往会得出错误的结论。因此,在判断计算是否收敛,还应结合观察相关变量的数据,监测流出、流入的物质和能量是否守恒。在迭代计算的过程中,Fluent软件默认收敛的标准是:能量的残差值收敛低于10-6,而其他变量的残差值全部降至低于10-3时,这时候认为计算是收敛。
如图3-1为V=0.1m/s,t=76℃情况下的计算收敛图:图中蓝色的那条线描述的是温度的收敛情况,接近于10-7,收敛情况良好,黑色那条线描述的是整体的收敛情况,接近于10-5,红色线和绿色线分别描述的是x方向和y方向速度的收敛情况,x方向的速度收敛情况接近于10-3,y方向速度的收敛情况接近于10-5,收敛状态良好。从图中可知此次计算结果呈收敛状态。
在验证收敛情况的时候,有时候也会出现不收敛的情况,这时候我们可以改变初始值,尝试不同的初始化,也有可能是网格的质量出现问题,所以在Gambit网格划分的时候显得尤为重要,有时候也与模型、初始条件、边界有关系。最常用的一种方法就是看哪一个因素不收敛,然后去修改相应的参数和相关的条件,再观察它是否收敛。
                                图3-1计算收敛图

3.2 不同的风速下的热环境分析
   如图3-2所示,此风况为v=0.1m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃下的温度云图,将温度从最高温度到最低温度用不同的颜色表示,红色代表最高温76℃,深蓝色代表最低温35℃,依次递减。图中16个白色长方形代表16栋建筑的二维平面,长方形的上方添加了空调热源,由图中可以看出上方的温度呈现红色状态,即t=76℃,风从东北方向过来,从云图中可以看出温度随着风往西南方向变化,越靠近空调热源的区域温度越高,行人舒适度越差,图中呈现深蓝色的区域温度为35℃,表示当刮东北风的时候这些区域的风环境是不受空调散热的影响的,在离建筑范围在30m左右的背风区域,此时的温度高达63℃,在这附近不适合建造小区的休闲设施与场所。

 


3-2  东北风v=0.1m/s,t=76℃情况下的温度云图

如图3-3 ,此风况为东北风v=1m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃下的温度云图,当东北风以1m/s的风速吹向建筑物,风速提高10倍,从3-3的温度云图,可以看出建筑周围(范围在20米以内)的温度大致控制在43℃-47℃,对比3-2的温度云图,建筑周边的热环境得到很大的改善,除了空调热源附近(范围在5米以内)的温度较高,小区周边的温度大致在35℃-47℃左右,行人舒适度大大提高。

3-3  东北风v=1m/s,t=76℃情况下的温度云图
如图3-4 ,此风况为东北风v=3m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃下的温度云图,当风速提高到3m/s的时候,从图中我们不然看出,小区周围的温度大致为40℃左右,大范围的温度维持在原始温度35℃,特别是最东面的6栋建筑(除空调热源附近)周围的温度已经降至35℃,此时的行人舒适度良好,没有受空调散热的影响。

 

 

 

 

 

 

 


3-4  东北风v=3m/s,t=76℃情况下的温度云图

   由东北风影响下三张不同的温度云图对比,我们可以看出,随着风速的增加,小区受空调空调散热的影响越小,当风速达到3m/s以上,小区大范围的区域维持在原始温度35℃,从三张温度云图我们还可以看出左排的建筑因为建筑密度较大,一定程度上阻挡了风的前行,导致温度在这一区域的滞留,以至于在风速达到3m/s的时候,左排建筑周围的温度比右排的要高,因此建筑之间的布局很大程度上影响小区的风热环境。因此在小区中,建筑物本身的形状和尺寸,还有周围建筑物的相对布局、四周的地形都会造成不良的风环境影响人们室外活动的舒适度。

3.3不同风速下的风环境分析
   如图3-5为东北风v=0.1m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃下的速度云图,红色区域代表最大风速v=0.204m/s,绿色区域代表原始设定的风速v=0.1m/s,深蓝色区域代表v=0m/s的无风区域,当东北风以0.1m/s的风速吹向建筑物,首先抵达最东面的6栋建筑以及最北面的独栋建筑,因为有了这些外围建筑的遮挡,风速在此范围发生明显的波动,风速大致在0.035m/s-0.065m/s之间,这是风产生的局部绕流和回流现象,由3-6速度云图中我们发现风穿过外围建筑进入小区中心,风速发生了变化,此时v≈0.1m/s,这是因为风穿过相邻建筑空隙的时候横截面积变小,就是所谓的穿堂风,所以风速有所提高,在迎风建筑物的尾部及周边会出现高风速的涡流危险区域,行人的舒适度较差,在这区域内应避免设置儿童游玩设施,以免造成危险,在建筑的背风面风速相对较弱,甚至出现一定的无风区域

 

3-5  东北风v=0.1m/s,t=76℃情况下的速度云图

 


3-6  东北风v=0.1m/s,t=76℃情况下的速度云图

   如图3-7所示,东北风v=1m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃风况下的速度云图,红色区域代表最大风速v=2.09m/s,绿色区域代表原始设定的风速v=1m/s,深蓝色区域代表v=0m/s的无风区域,从图中可以看出,当风速提高,无风区域增加,高风速区域向西南方向蔓延,相对于3-5面积逐渐扩大,西南方向的红色区域风速是原始风速的1.5倍,迎风建筑的尾部依然会出现高风速的涡流危险区域。


3-7  东北风v=1m/s,t=76℃情况下的速度云图

3-8  东北风v=1m/s,t=76℃情况下的速度云图

    如图3-9所示,东北风v=3m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃风况下的速度云图,从图中可以看出,当风速提高到3m/s时,建筑迎风区域和尾部发生多个涡流区,无风区域形成中断,不利于通风,绿色区域相对增加,红色区域减小,有利于行人的舒适度。

3-9  东北风v=3m/s,t=76℃情况下的速度云图

   


                   3-10  东北风v=3m/s,t=76℃情况下的速度云图

     通过不同风速下的速度云图对比分析,我们发现风速越大,产生的无风区域越大,高风速的涡流危险区域也会逐渐扩大,并向背风方向蔓延,当风速达到3m/s,有一块红色区域超出我们的计算区域。建筑物对气流有遮挡作用,当风经过建筑物时,气流会产生挤压,从而风速增大,风速越大,建筑物的背风区域就会形成回流死区,导致气流滞留。
3.4不同风向下的热环境、风环境分析
   如图3-11所示,此风况为东南风v=0.1m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃下的温度云图,图中红色区域代表最高温76℃,深蓝色区域代表最低温35℃,依次递减。图中1的建筑二维平面没有发生改变,建筑呈红色边缘的一面添加了空调热源,温度t=76℃,风从东南方向过来,与3-1对比,由于风向的改变,迎风区域和背风区域发生改变,温度随着风往西北方向发生变化,空调热源的区域温度高,行人舒适度较差,由于建筑格局的改变,东南风影响下的建筑周围绿色区域变小,即舒适温度的区域增大,对居民的生活有很大的改善。

 

3-11  东南风v=0.1m/s,t=76℃情况下的温度云图


   如图3-12为东南风v=0.1m/s,T=35℃,空调散发的热源t=76℃下的速度云图,图中红色区域代表最大风速v=0.195m/s当东南风以0.1m/s的风速吹向建筑物,由于建筑格局的不同迎风的建筑面积增大,气流经过的情况与东北风明显不同,图中的高风速区域增大,气流因为建筑的受堵向建筑两旁形成偏转气流,导致两侧的风速加大,形成高风速区域,风速大致在0.035m/s-0.065m/s之间。

 

 

3-12  东南风v=0.1m/s,t=76℃情况下的速度云图

3.5 综合分析
   本文主要针对空调散热影响下平阳里小区风环境展开分析,小区的风环境与空调散热、建筑格局等都有密不可分的关系,本文采用Fluent软件和计算流体力学数值模拟等方法,对小区风环境做了具体的分析和总结,为了创造良好的小区风环境,通过以上不同风况的云图对比,得出以下结论:
①当建筑物阻挡迎面而来的气流,会产生绕流现象,气流会沿建筑物两侧加快流动,而小区内部形成风涡,风速变缓不利于通风,内部温度较高;
②建筑间格局的布置会改变气流的方向,在一定程度上可以加快气流流动,有利于通风,但是会造成新的回流漩涡,气流的加快对小区有降温作用;
③由于风向的改变,气流在建筑间的受阻情况不同,导致背风区域形成大小不一的漩涡,建筑物两侧风速加大;
④建筑的格局应该采取行列式或者错列式,这样有利于气流与小区内部进行对流,不仅可以提高通风能力,还可以降低小区内部的温度,从而减少空调散热对小区风环境的影响。


第四章总结与展望
4.1 总结
   本文以厦门平阳里小区为例,建立小区建筑模型,运用计算机数值模拟技术,模拟真实的小区风环境,通过研究的需要,改变流速,风向,温度的参数,得出不同风况下的云图,进行全方位的对比分析,研究空调散热下的风环境以及行人舒适度,做出以下总结:
⑴研究风环境的内容是计算流体动力学,研究方法为计算机数值模拟计算,简介GAMBIT和FLUENT软件的使用方法和参数的设置;
⑵利用GAMBIT对平阳里小区进行建模和网格划分,设定入风口、出风口、墙体等的边界条件,创建计算域;
⑶运用FLUENT计算出不同风况下的速度、温度云图,涉及到控制方程、k-ε湍流模型、压力与速度耦合方法、离散方法;
⑷通过不同风况的速度、温度云图对比,对小区风环境进行评估,分析行人舒适度,指出个别高风速区域不适合建造休闲设施,特别是迎风建筑的角耦区会出现强漩涡,对行人的活动造成危险。
4.2 展望
   随着人类科技的不断发展,人们越来越多关注城市气候、城市环境,风环境研究技术与日更新,从早期最常用的实地测试法,到中期演变的物理模拟法,每一种方法都有其存在的价值,各有各的优缺点,而现今被人们广泛使用的是计算机数值模拟方法,现如今我国的风环境研究还处于基础阶段,任何一种研究技术都是一种新的研究途径,未来的发展空间还是非常大的。相对于国外,国内的风环境研究起步较晚,1990年代才有部分学者开始着手做风环境方面的研究,探索的历程还很长,现今风环境研究开始受到人们的重视,这不仅促进了风环境的研究发展,还大大改善了城市气候问题,符合未来的发展格局,风环境这门学科宏观上包含多门学科的领域,有建筑,气候,热环境,人文,地貌、景观规划等等,我们必须拓展研究途径,不断推进相关研究的发展,综合多门学科互相影响互相促进,以达到最优的发展,构建良好的风环境体系,促进整个城市走向国际化。

分享到:更多 ()

抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址