第27卷第2期2011年2月

［1002-8528（2011）02-0087-05文章編號］

建筑科學(xué)Vol.27，No.2Feb.2011

BUILDINGSCIENCE

陽臺對低層建筑風壓作用下自然通風影響的數(shù)值研究

李崢嶸，艾正濤（同濟大學(xué)

機械工程學(xué)院暖通空調(diào)及燃氣研究所，上海200092）

［摘要］本文將通風量和工作平面平均風速作為衡量房間通風效果的指標，采用計算流體力學(xué)方法，分析了陽臺對低層建筑風壓作用下自然通風的影響。首先通過實驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)學(xué)模型的可靠性，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有良好的一

通過模擬得到以下結(jié)論：對于單側(cè)通風建筑，陽臺能夠極大地提高建筑中部及下部房間的通風性能；對于雙側(cè)通致性。而后，

風建筑，陽臺對室內(nèi)通風性能的影響較��；陽臺可以誘導(dǎo)空氣進入房間更深的區(qū)域，在工作平面形成更為均勻的風環(huán)境。

［關(guān)鍵詞］陽臺；CFD；自然通風；低層建筑［中圖分類號］TU834.5+1［文獻標識碼］A

NumericalResearchontheInfluencesofBalconyonNaturalVentilationundertheWindPressureofLow-riseBuildings

LIZheng-rong，AIZheng-tao（InstituteofHVAC＆Gas，CollegeofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，

China）

theventilationvolumeandtheaveragedairvelocityoftheworkingplaneweretakenastheindexesto［Abstract］Inthispaper，

measuretheventilationeffectoftheroom，andthemethodofcomputationalfluentdynamicswasadoptedtoanalyzetheinfluencesof

thereliabilityofmathematicalmodelwasverifiedbalconyonnaturalventilationunderthewindpressureoflow-risebuildings.First，

inwhichthesimulationresultswerewellconsistentwiththeexperimentresults.Then，thefollowingthroughexperimentdata，

conclusionsthroughthesimulationwereobtained.Forthesingle-sideventilationbuilding，thebalconycouldgreatlyimprovethe

forthedouble-sideventilationbuilding，theinfluencesofthebalconyontheventilationperformanceofthemiddleandlowerrooms，

indoorventilationperformanceweresmall，moreover，thebalconycouldguidetheairintothedeeperareaintheroom，andformmoreevenwindenvironmentontheworkingplane.

［Keywords］balcony，CFD，naturalventilation，low-risebuilding

0引言

有效增強室內(nèi)空氣流動并改變室內(nèi)熱環(huán)境

［2-3］

。由

于實驗研究具有高成本、耗時和環(huán)境依賴性等不足，

Chand，等通過實驗研究證明了陽臺對建筑表面風壓大小及分布具有重要影響；同時，通過對風壓值的進一步處理分析發(fā)現(xiàn)陽臺對單側(cè)通風和雙側(cè)通風的通風力有較大影響

［1］

1］不可能對所有情況進行研究。本文針對文獻［的建筑模型中沒有房間和開口的問題，采用數(shù)值模擬方法，利用該文獻的邊界條件，分析陽臺對風壓作用下低層建筑自然通風的影響。

。他們的實驗研究對于

在建筑設(shè)計階段評估陽臺對建筑表面風負載和建筑室內(nèi)通風的影響具有重要的指導(dǎo)意義。Prianto和Depecker通過實驗及模擬的方法研究了建筑設(shè)計元素對熱帶地區(qū)自然通風建筑的影響，發(fā)現(xiàn)陽臺能夠

1

1.1

數(shù)值模型的建立

幾何模型

1］如圖1所示，文獻［所用模型為1/30比例的

建筑模型，陽臺安裝在5層建筑的上面4層房間外

［07-12［一次修回］2010-08-06收稿日期］2010-［二次修回］2010-08-12

［作者簡介］李崢嶸（1969-），女，博士，教授［聯(lián)系方式］lizhengrong@#edu.cn

面，每1個陽臺對應(yīng)1個房間，圖中M和E分別指中間和兩側(cè)。建筑模型尺寸為60cm（長）×25cm（寬）×50cm（高），陽臺尺寸為15cm（長）×5cm

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建筑科學(xué)第27卷

（寬）×3cm（高）。實驗入口處風速分布和紊流強度分布如圖2所示，圖中V和Vr分別表示某一高度1］通過實驗論證，將處的速度和參考速度。文獻［

建筑模型上游90cm處與建筑高度相同的一點定為該點的風速和靜壓值為參考速度和參考壓參考點，

力值。實驗采用壓力系數(shù)（CP）評估建筑表面的壓其定義如下：力分布，

CP=

P－PS0.5ρV2r

P為模型表面的測量壓力值，Pa；PS為參考壓式中，

Pa；ρ為空氣密度，kg/m3

。力值，

圖2

相對速度和紊流強度分布

為了考察陽臺對建筑內(nèi)部房間自然通風的影1］響，本文在文獻［建筑模型的基礎(chǔ)上加上房間和窗戶（模型1和模型3），同時建立沒有陽臺但是有同樣房間和窗戶尺寸的建筑模型（模型2和模型4）進行對比。其中，模型1和2為單側(cè)自然通風，模型3和4為雙側(cè)自然通風。所有研究的建筑模型細節(jié)見表1，其中陽臺尺寸與實驗中的相同，單側(cè)通風時房間尺寸為20cm（長）×12.5cm（寬）×10cm（高），雙側(cè)通風房間尺寸為20cm（長）×25cm（寬）×10cm（高），大開口和小開口尺寸分別為10cm（寬）×6.667cm（高）和10cm（寬）×3.667cm

圖1

建筑模型及其風壓測試點

（高）。

表1

模型信息

2～5層

與實驗相同（沒有開口）

6個房間，6個大開口，6個陽臺

6個房間，6個大開口

3個房間，迎風面3個大開口和3個陽臺，背風面3個小開口

3個房間，迎風面3個大開口，背風面3個小開口

房間數(shù)量

030301515

底層

實驗驗證模型

模型1模型2模型3模型4

6個房間，6個大開口6個房間，6個大開口

3個房間，迎風面3個大開口，背風面3個小開口3個房間，迎風面3個大開口，背風面3個小開口

L、H表示，將建筑模型的長、寬、高分別用W、根4］～［6］據(jù)文獻［確定計算區(qū)域為：建筑物前為5H，建筑物兩側(cè)各5W，建筑物后部為10H，高度為6H。計算區(qū)域及其邊界條件如圖3所示，其中入口處速度和紊流強度采用實驗值（見圖2），通過FLUENT軟件的自定義編程功能按圖2編程輸入，本文將參考風速Vr設(shè)定為4m/s。1.2

CFD計算方法

本文采用目前運用最為廣泛的CFD商業(yè)軟

件

圖3

計算區(qū)域及邊界條件

第2期李崢嶸，等：陽臺對低層建筑風壓作用下自然通風影響的數(shù)值研究

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之一FLUENT（6.3版本）。FLUENT采用有限體積法，通過對變量和壓力進行雷諾平均求解質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等方程，已經(jīng)被成功運用在許多不同的研究工作中

［6-9］

合較好。然而，在本文中，房間開口位于各層墻面的中下部，因此建筑頂端的壓力數(shù)據(jù)對于本文的分析本文選擇標準k-ε模型影響較小。最終通過比較，進行后面的模擬研究。2.2

陽臺對單側(cè)通風建筑自然通風性能的影響利用表1中所列的模型1和模型2，可對陽臺對單側(cè)通風建筑自然通風性能的影響進行對比性研究。單側(cè)通風迎風面和背風面的模擬結(jié)果分別見圖5和圖6。圖中ACH為房間換氣次數(shù)，V表示1m高處工作平面上的平均風速。表示房間位置的符號命名規(guī)則如下：第1個字母表示房間所在層數(shù)（縱向位置），第2個字母表示房間在某層的位置（橫向位3E表示第3例如1M表示第1層的中間房間，置）

，

層兩側(cè)的房間。由于本文只研究風向垂直入射建筑表面的情況，此時建筑兩側(cè)房間對稱，因此只需呈現(xiàn)一側(cè)的結(jié)果即可。

。在本文的數(shù)值模擬中，

以實驗結(jié)果為參照標準，分別進行了紊流粘性系數(shù)、紊流模型、差分方法、地面粗糙度和網(wǎng)格數(shù)量的敏感性分析。最終考慮到數(shù)值計算的精確度和數(shù)值計算成本，選擇如下：采用雷諾平均法中的渦黏模型，利如用標準k-ε兩方程模型（雖然其存在數(shù)值缺陷，在預(yù)測繞流背風面壓力系數(shù)時存在一定的分離，但本文認為模擬結(jié)果是可以接受的，如圖4所示）配合標準墻面方程，利用二階迎風差分方法對偏微分采用SIMPLE算法實現(xiàn)壓力和速方程組進行離散，

度的解耦，紊流粘性系數(shù)取為10，地面粗糙度高度設(shè)置為0.5cm，網(wǎng)格數(shù)量約為120萬。由于建筑通風屬于低速紊流流動，常溫條件下空氣可以認為是

［10］

。不可壓縮流體，符合Boussinesq假設(shè)

圖5陽臺對單側(cè)通風迎風面房間自然通風的影響

圖4建筑模型中部迎風面與背風面

壓力系數(shù)比較（有陽臺，不同的紊流模型）

圖6

陽臺對單側(cè)通風背風面房間自然通風的影響

2

2.1

結(jié)果與討論

數(shù)值模型驗證

1］利用FLUENT6.3首先對文獻［中的實驗（表

圖5給出了在有陽臺和沒有陽臺的情況下，單側(cè)通風建筑迎風面房間自然通風換氣次數(shù)和工作平面的平均風速。由圖可知，除第4層的所有房間和陽臺的引入可以極大第3層的兩側(cè)房間（3E）以外，

地提高房間的換氣次數(shù)，特別是對位于底層和頂層的房間。各個房間換氣次數(shù)的增加率列于表2，由表可知，對于多數(shù)迎風面房間，陽臺非常有利于增加房間的換氣次數(shù)，從而改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。圖5同時顯示除了導(dǎo)致位于第3層和第4層的房間風速有

1中所列的實驗驗證模型）進行完整的模擬，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。圖4比較了使用標準k-ε和RNGk-ε紊流模型所得到的建筑模型中部（M）的壓力系數(shù)CP值和文獻［1］在實驗中所測得的數(shù)值。圖中模擬結(jié)果除在迎風面頂端處與實驗結(jié)果有較大分離（33%）外，在其它位置與實驗結(jié)果吻

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建筑科學(xué)第27卷

較大降低外，陽臺增加了底層和頂層房間工作面的平均風速，而對第2層房間的風速只有很小的降低對于大部分樓層，位于兩側(cè)的房間相對作用。另外，

于中間的房間有更大的換氣次數(shù)和平均風速。然在某些房間（如3M），陽臺增加了室內(nèi)換氣次數(shù)而，

卻降低了工作面的平均風速。這一現(xiàn)象是因為來流在貼近房空氣在沒有陽臺的建筑外表面順墻而下，間窗口處與墻面幾乎平行，難以進入到房間內(nèi)部，從

表2

房間增加量/%

1M223.2

1E175.8

2M914.0

由于沒而導(dǎo)致了較小的換氣次數(shù)。但是另一方面，有陽臺的阻擋，沿墻面向下的風速較大，從而極大地提高了FLUENT所計算的工作面平均風速。綜上可陽臺能夠誘導(dǎo)空氣進入室內(nèi)更深區(qū)域，從而以說明，