自然風影響下大跨度廠房屋頂氣膜降溫研究

張園 彭小勇 胡畏

南華大學土木工程學院

0 引言

在大跨度廠房中， 屋頂在整個廠房建筑圍護結構面積中所占比例大， 且屋頂受太陽輻射量嚴重， 屋頂外表面溫度很高， 極大地增加了冷負荷。通過減小屋頂外表面溫度可以降低冷負荷， 從而實現節能。

前人對于屋頂降溫技術做了大量的研究， 都取得了良好的降溫效果。例如在屋頂涂覆太陽熱反射涂料 [1] ， 通過增加屋頂表面對太陽輻射的反射率， 降低屋頂外表面溫度。在屋頂設置水噴淋裝置 [2] ， 通過水蒸發帶走熱量， 有效降低屋頂外表面溫度， 屋頂單位面積空調負荷最多可下降56.3%。在玻璃屋頂上設置智能遮陽百葉[3]， 通過變化百葉角度來調整進光量， 有效地阻擋太陽熱能進入室內。

研究人員在以下幾個方面考慮了自然風的影響，并進行了深入的研究：1）自然風對建筑物結構的影響及其風場研究[4-6]。2） 非穩態風對建筑物自然通風的影響研究 [7] 。3） 橫向自然風對直接空冷機組運行的影響研究 [8] 。4） 自然風對實際地形的風場研究， 如沙漠坡面地形 [9] 、 蘇格蘭Askervein小山 [10] 。

本文在大跨度空調廠房屋頂設置基于科恩達效應的空氣誘導器， 并且考慮自然風的影響， 實現小風量誘導大跨度空調廠房屋頂外表面上方空氣， 在屋頂外表面形成氣膜并及時帶走熱量， 降低屋頂外表面溫度， 減小屋頂內外表面傳熱溫差。應用 CFD技術數值模擬了不同自然風風速對大跨度空調廠房屋頂的氣膜形成和降溫效果影響。

1 控制方程與數值方法

1.1 控制方程

屋頂外表面附近空氣流動看作是低速不可壓縮湍流流動， 滿足 N-S方程。以張量形式表示的 3 個守恒方程如式 （1） ～ （3） 所示。

1） 質量守恒方程

2） 動量守恒方程

3） 能量守恒方程

式（ 1）～（ 3）中 ：U為速度矢量，P為流體壓力，ρ為 密度，μ為 動力粘性系數，cp為比熱容，λ為導熱系數，F為作用在流體上的質量力，T為流體或固體的溫度，Φ 為能量耗散函數。

1.2 數值方法

采用太陽射線跟蹤算法計算太陽輻射對屋頂產生的直接照射熱流，并 將計算出的熱流通過能量方程中的源項耦合到 Fluent 計算中。在流固耦合界面處，使用 Fluent 提供的標準壁面函數法處理流動邊界層和傳熱邊界層。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型的建立

圖1為二維物理模型及計算區域圖， X、 Y 軸組成二維平面， Z軸垂直該平面。 因為Fluent軟件中的太陽輻射模型只能適用于三維物理模型， 因此本文選取長度為1m，沿Z軸前后對稱的三維物理模型作為研究對象。計算域左邊為來流自然風， 下邊為地面， 上邊、右邊為壓力出口， 左邊來流自然風離墻的距離為170m， 右邊離墻距離為340m。屋頂為保溫壓型鋼板復合屋頂， 長度為 30m， 并且關于X=0對稱。 空氣誘導器放置于屋頂上方， 關于X=0 對稱， 由條狀型風口和科恩達曲面組成， 且條狀型送風口垂直科恩達曲面。

圖1 物理模型及計算區域圖

2.2 網格劃分及邊界條件

在大跨度空調廠房屋頂氣膜降溫模型中， 用具有代表性的地面粗糙類別對應的大氣邊界條件為來流邊界條件進行計算， 模擬大氣邊界層風速剖面指數分布。上游來流邊界的U、V、W均給定。具體給法如下：

式中：y0為標準高度， 取 10m；u0為相應的標準高度處平均風速；y為流域中任意高度；Uin為流域中任意高度對應的來流風速。

計算域左邊為來流自然風， 采用UDF程序進行設置， 上、 右邊為壓力出口。空氣誘導器條縫型送風口為速度入口， 送風溫度為T=305 K， 采用均勻送風速度25m/s， 并且送風速度垂直于條狀型送風口。屋頂外表面為耦合壁面， 屋頂內表面為定溫邊界條件（T=30 ℃）， 屋頂對太陽輻射的吸收系數為 0.8， 傳熱系數為3.87 W/(m2· K)。

圖2 局部網格分布

計算域采用正六面體網格劃分， 網格從X=0 線開始， 往兩邊由密變疏， 并且在空氣誘導器送風口、 科恩達曲面、 屋頂外表面附近進行局部加密 （圖2）。 由于整個計算域關于 Z軸對稱，因此在 Z軸方向取10 個網格， 最終網格數為775,862。

3 數值模擬結果與分析

3.1 氣膜形成情況模擬結果與分析

圖 3 為屋頂迎風面上不同法向截面的氣流速度分布圖。從圖3可以看出， 在沒有自然風時， 在每一個截面位置上， 出現了一個氣膜區域， 并且隨著流動距離增加， 氣膜區域變緩。在有自然風影響時， 隨著自然風風速的增加，氣膜區域變緩程度加快直至消失， 特別是u0=2m/s時， 在X=-20m位置氣膜區域消失。

圖3 屋頂迎風面上不同法向截面的氣流速度分布圖

3.2 屋頂降溫情況模擬結果與分析

圖4 為不同自然風風速和沒有自然風（u0 =0m/s）時對應的大跨度廠房附近的流線圖。圖5為不同自然風風速和沒有自然風 （u0 =0m/s） 時對應的屋頂外表面周圍空氣溫度云圖。 結合圖4和圖5可以看出， 在沒有自然風時，屋頂外表面附近的空氣溫度分布關于X=0線對稱， 并且隨著空氣流動距離的增加， 氣流不斷帶走屋頂外表面的熱量，空氣溫度逐漸增加。當自然風風速u0 =1m/s， 在屋頂迎風面上， 由于受到自然風的對流影響， 被屋頂迎風面加熱的空氣在X(-32.1，-31.9)m區域開始出現回流， 向屋頂背風面方向流動， 在X(-32.1，-31.9)m區域處空氣溫度最高。同理， 當自然風風速u0=2m/s， 在X□ (-15.1，-14.9)m 區域開始出現回流， 向屋頂背風面流動， 在屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m區域處空氣溫度最高。因此， 隨著自然風風速的增加， 被屋頂迎風面加熱的空氣開始出現回流的區域更靠前。

圖6為不同自然風風速對應的屋頂外表面溫度云圖。在沒有自然風時，屋頂外表面溫度分布關于X=0對稱，并且隨著空氣流動距離的增大而增大。當自然風風速u0 =1m/s時， 由于自然風的對流影響， 在屋頂迎風面上的X(-32.1，-31.9)m 區域開始出現回流， 此處溫度最高， 屋頂迎風面的降溫效果比沒有自然風的情況差， 背風面的降溫效果幾乎和迎風面一樣。同理， 當自然風風速u0 =2m/s時， 在屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m區域開始出現回流， 此處溫度最高。

圖4 不同自然風風速對應的大跨度廠房附近的流線圖

圖5 不同自然風風速對應的空氣溫度云圖

圖6 不同自然風風速對應的屋頂外表面溫度云圖

4 結論

在大跨度空調廠房屋頂設置科恩達效應的空氣誘導器， 實現小風量大溫差誘導屋頂外表面周圍空氣，在屋頂外表面形成氣膜以帶走屋頂熱量。考慮自然風的情況下， 應用 CFD技術數值模擬了不同自然風風速對大跨度空調廠房屋頂的氣膜形成和降溫效果影響。可以得到下面的結論：

1） 在沒有自然風時， 流線關于X=0 對稱， 并且在屋頂外表面上出現了一個氣膜區域， 隨著流動距離增加， 氣膜區域變緩。考慮自然風時， 在屋頂迎風面上產生旋渦， 隨著自然風風速的增大， 旋渦減小， 氣膜區域變緩程度加快直至消失。屋頂背風面上自然風對氣膜形成幾乎沒有影響。

2） 在沒有自然風時， 屋頂外表面附近的空氣溫度分布關于X=0 線對稱，并且隨著空氣流動距離的增加， 氣流不斷帶走屋頂外表面的熱量， 空氣溫度逐漸增加。當自然風風速u0 =1m/s， 屋頂迎風面上在X(-32.1，-31.9)m 區域處空氣溫度最高， 當自然風風速u0 =2m/s， 屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m區域處空氣溫度最高。

3） 在沒有自然風時， 隨著空氣流動距離的增加，氣膜帶走屋頂外表面的熱量減少。當自然風風速u0 =1m/s 時， 在屋頂迎風面上的X(-32.1，-31.9)m 區域， 屋頂外表面溫度最高。 當自然風風速u0 =2m/s時， 在屋頂迎風面上的X(-15.1，-14.9)m 區域， 則屋頂外表面的溫度最高。

參考文獻

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