自然风影响下大跨度厂房屋顶气膜降温研究

张园 彭小勇 胡畏

南华大学土木工程学院

0 引言

在大跨度厂房中， 屋顶在整个厂房建筑围护结构面积中所占比例大， 且屋顶受太阳辐射量严重， 屋顶外表面温度很高， 极大地增加了冷负荷。通过减小屋顶外表面温度可以降低冷负荷， 从而实现节能。

前人对于屋顶降温技术做了大量的研究， 都取得了良好的降温效果。例如在屋顶涂覆太阳热反射涂料 [1] ， 通过增加屋顶表面对太阳辐射的反射率， 降低屋顶外表面温度。在屋顶设置水喷淋装置 [2] ， 通过水蒸发带走热量， 有效降低屋顶外表面温度， 屋顶单位面积空调负荷最多可下降56.3%。在玻璃屋顶上设置智能遮阳百叶[3]， 通过变化百叶角度来调整进光量， 有效地阻挡太阳热能进入室内。

研究人员在以下几个方面考虑了自然风的影响，并进行了深入的研究：1）自然风对建筑物结构的影响及其风场研究[4-6]。2） 非稳态风对建筑物自然通风的影响研究 [7] 。3） 横向自然风对直接空冷机组运行的影响研究 [8] 。4） 自然风对实际地形的风场研究， 如沙漠坡面地形 [9] 、 苏格兰Askervein小山 [10] 。

本文在大跨度空调厂房屋顶设置基于科恩达效应的空气诱导器， 并且考虑自然风的影响， 实现小风量诱导大跨度空调厂房屋顶外表面上方空气， 在屋顶外表面形成气膜并及时带走热量， 降低屋顶外表面温度， 减小屋顶内外表面传热温差。应用 CFD技术数值模拟了不同自然风风速对大跨度空调厂房屋顶的气膜形成和降温效果影响。

1 控制方程与数值方法

1.1 控制方程

屋顶外表面附近空气流动看作是低速不可压缩湍流流动， 满足 N-S方程。以张量形式表示的 3 个守恒方程如式 （1） ～ （3） 所示。

1） 质量守恒方程

2） 动量守恒方程

3） 能量守恒方程

式（ 1）～（ 3）中 ：U为速度矢量，P为流体压力，ρ为 密度，μ为 动力粘性系数，cp为比热容，λ为导热系数，F为作用在流体上的质量力，T为流体或固体的温度，Φ 为能量耗散函数。

1.2 数值方法

采用太阳射线跟踪算法计算太阳辐射对屋顶产生的直接照射热流，并 将计算出的热流通过能量方程中的源项耦合到 Fluent 计算中。在流固耦合界面处，使用 Fluent 提供的标准壁面函数法处理流动边界层和传热边界层。

2 物理模型及边界条件

2.1 物理模型的建立

图1为二维物理模型及计算区域图， X、 Y 轴组成二维平面， Z轴垂直该平面。 因为Fluent软件中的太阳辐射模型只能适用于三维物理模型， 因此本文选取长度为1m，沿Z轴前后对称的三维物理模型作为研究对象。计算域左边为来流自然风， 下边为地面， 上边、右边为压力出口， 左边来流自然风离墙的距离为170m， 右边离墙距离为340m。屋顶为保温压型钢板复合屋顶， 长度为 30m， 并且关于X=0对称。 空气诱导器放置于屋顶上方， 关于X=0 对称， 由条状型风口和科恩达曲面组成， 且条状型送风口垂直科恩达曲面。

图1 物理模型及计算区域图

2.2 网格划分及边界条件

在大跨度空调厂房屋顶气膜降温模型中， 用具有代表性的地面粗糙类别对应的大气边界条件为来流边界条件进行计算， 模拟大气边界层风速剖面指数分布。上游来流边界的U、V、W均给定。具体给法如下：

式中：y0为标准高度， 取 10m；u0为相应的标准高度处平均风速；y为流域中任意高度；Uin为流域中任意高度对应的来流风速。

计算域左边为来流自然风， 采用UDF程序进行设置， 上、 右边为压力出口。空气诱导器条缝型送风口为速度入口， 送风温度为T=305 K， 采用均匀送风速度25m/s， 并且送风速度垂直于条状型送风口。屋顶外表面为耦合壁面， 屋顶内表面为定温边界条件（T=30 ℃）， 屋顶对太阳辐射的吸收系数为 0.8， 传热系数为3.87 W/(m2· K)。

图2 局部网格分布

计算域采用正六面体网格划分， 网格从X=0 线开始， 往两边由密变疏， 并且在空气诱导器送风口、 科恩达曲面、 屋顶外表面附近进行局部加密 （图2）。 由于整个计算域关于 Z轴对称，因此在 Z轴方向取10 个网格， 最终网格数为775,862。

3 数值模拟结果与分析

3.1 气膜形成情况模拟结果与分析

图 3 为屋顶迎风面上不同法向截面的气流速度分布图。从图3可以看出， 在没有自然风时， 在每一个截面位置上， 出现了一个气膜区域， 并且随着流动距离增加， 气膜区域变缓。在有自然风影响时， 随着自然风风速的增加，气膜区域变缓程度加快直至消失， 特别是u0=2m/s时， 在X=-20m位置气膜区域消失。

图3 屋顶迎风面上不同法向截面的气流速度分布图

3.2 屋顶降温情况模拟结果与分析

图4 为不同自然风风速和没有自然风（u0 =0m/s）时对应的大跨度厂房附近的流线图。图5为不同自然风风速和没有自然风 （u0 =0m/s） 时对应的屋顶外表面周围空气温度云图。 结合图4和图5可以看出， 在没有自然风时，屋顶外表面附近的空气温度分布关于X=0线对称， 并且随着空气流动距离的增加， 气流不断带走屋顶外表面的热量，空气温度逐渐增加。当自然风风速u0 =1m/s， 在屋顶迎风面上， 由于受到自然风的对流影响， 被屋顶迎风面加热的空气在X(-32.1，-31.9)m区域开始出现回流， 向屋顶背风面方向流动， 在X(-32.1，-31.9)m区域处空气温度最高。同理， 当自然风风速u0=2m/s， 在X□ (-15.1，-14.9)m 区域开始出现回流， 向屋顶背风面流动， 在屋顶迎风面上的X(-15.1，-14.9)m区域处空气温度最高。因此， 随着自然风风速的增加， 被屋顶迎风面加热的空气开始出现回流的区域更靠前。

图6为不同自然风风速对应的屋顶外表面温度云图。在没有自然风时，屋顶外表面温度分布关于X=0对称，并且随着空气流动距离的增大而增大。当自然风风速u0 =1m/s时， 由于自然风的对流影响， 在屋顶迎风面上的X(-32.1，-31.9)m 区域开始出现回流， 此处温度最高， 屋顶迎风面的降温效果比没有自然风的情况差， 背风面的降温效果几乎和迎风面一样。同理， 当自然风风速u0 =2m/s时， 在屋顶迎风面上的X(-15.1，-14.9)m区域开始出现回流， 此处温度最高。

图4 不同自然风风速对应的大跨度厂房附近的流线图

图5 不同自然风风速对应的空气温度云图

图6 不同自然风风速对应的屋顶外表面温度云图

4 结论

在大跨度空调厂房屋顶设置科恩达效应的空气诱导器， 实现小风量大温差诱导屋顶外表面周围空气，在屋顶外表面形成气膜以带走屋顶热量。考虑自然风的情况下， 应用 CFD技术数值模拟了不同自然风风速对大跨度空调厂房屋顶的气膜形成和降温效果影响。可以得到下面的结论：

1） 在没有自然风时， 流线关于X=0 对称， 并且在屋顶外表面上出现了一个气膜区域， 随着流动距离增加， 气膜区域变缓。考虑自然风时， 在屋顶迎风面上产生旋涡， 随着自然风风速的增大， 旋涡减小， 气膜区域变缓程度加快直至消失。屋顶背风面上自然风对气膜形成几乎没有影响。

2） 在没有自然风时， 屋顶外表面附近的空气温度分布关于X=0 线对称，并且随着空气流动距离的增加， 气流不断带走屋顶外表面的热量， 空气温度逐渐增加。当自然风风速u0 =1m/s， 屋顶迎风面上在X(-32.1，-31.9)m 区域处空气温度最高， 当自然风风速u0 =2m/s， 屋顶迎风面上的X(-15.1，-14.9)m区域处空气温度最高。

3） 在没有自然风时， 随着空气流动距离的增加，气膜带走屋顶外表面的热量减少。当自然风风速u0 =1m/s 时， 在屋顶迎风面上的X(-32.1，-31.9)m 区域， 屋顶外表面温度最高。 当自然风风速u0 =2m/s时， 在屋顶迎风面上的X(-15.1，-14.9)m 区域， 则屋顶外表面的温度最高。

参考文献

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