建筑泵式通风周期性振荡与换气特性研究

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低碳绿色建筑的发展对建筑自然通风性能提出了越来越高的要求。现代城市建筑紧密的房间布局及人们对隐私、安全方面的更高要求使得城市建筑中单侧通风比贯流通风更为常见。而单侧通风往往通风率较低,难以满足建筑自然通风的需求。泵式通风是一种特殊的单侧通风驱动机制,它是在建筑迎风侧或背风侧具有两个或多个开口的建筑室内,由于周期性涡流脱落导致开口处的压力交替变化而产生周期性通风现象。泵式通风能够大大提高单侧通风的通风率。因此深入理解泵式通风的流动机理,探索提高泵式通风效率的建筑结构及城市建筑布局,对建筑节能和发展低碳绿色建筑有重要意义。首先,本文使用基于非稳态雷诺时均法(URANS)的SST k-ω湍流模型对二维流场进行动态模拟,讨论了入流风速、开口距离及建筑纵横比对泵式通风的流场、振荡频率及通风率的影响。结果表明,该湍流模型能较好地再现泵式通风流场,准确预测其振荡频率和通风率。无量纲通风率随着风速的增加单调递增,而振荡频率随着风速的增加先增大后保持稳定。随着开口间距的增加,无量纲通风率会增加,而振荡频率与开口间距无关。此外存在一个较优的建筑纵横比使得振荡频率和通风率同步达到最高。其次,本文使用同样的模拟方法对3D超高层建筑中层位置背风侧或迎风侧双开口泵式通风进行动态模拟,对比了背风侧与迎风侧泵式通风异同,同时结合室内污染物扩散特征和时均浓度分布分析讨论了背风侧开口与迎风侧开口、入流风速及开口距离对泵式通风的流场、振荡频率及通风率的影响。结果表明,振荡频率随入流风速单调递增,但与开口距离无关。压差系数与通风率有很强的相关性。在背风侧泵式通风中,脉动压差对通风率起主导作用,而在迎风侧泵式通风中,平均压差主导通风率。无量纲通风率可以通过增加开口间距来提高,但它几乎与入流风速无关。背风侧的通风率远大于迎风侧的通风率。紧接着,本文探讨了单个上游建筑影响下的3D超高层建筑中层位置背风侧双开口泵式通风。考虑了上游建筑与下游目标建筑距离的影响。结果表明,即使受到上游建筑阻挡,合理的建筑间距设计甚至可以使下游建筑的通风率高于单体建筑。涡流脱落频率对平均通风率可能有影响,而对振荡通风率的影响并不明显。由于流动的湍流特性,泵式通风率主要包括时均和波动分量,平均和脉动压力差都有助于目标建筑物的通风。随后,本文对在单个或多个上游建筑影响下的3D中低层建筑背风侧双开口泵式通风进行了动态模拟。探讨单个上游建筑时上游建筑的纵横比、目标建筑的开口率及双上游建筑时上游两建筑间距对建筑各自尾流区流场振荡频率、目标建筑泵式通风振荡频率及其通风率的影响。结果表明上游建筑长度的增加通常会降低下游目标建筑物的涡流脱落频率及其通风率。增加下游建筑物背风侧的开口率会提高泵式通风振荡频率却会降低无量纲通风率。当有两个上游建筑时,泵式通风流动受到抑制。上游建筑间的间隙流动及内侧剪切层分离大多数情况下主导下游建筑的涡流脱落及泵式通风,且存在特定的上游建筑间距使得下游建筑通风率最大。最后,本文开展了边界层风洞实验,并对单体三层建筑的泵式通风进行了探究,并将其结果与URANS模拟结果进行了对比。风洞实验使用恒温热线风速仪进行风速测量,利用示踪气体法获得单体建筑泵式通风率,探究开口距离和开口所在层数对泵式通风的振荡频率及通风率的影响。结果表明,URANS与风洞实验预测的振荡频率及通风率随着不同开口距离和不同层数的变化趋势基本一致;相比于风洞实验,URANS会低估泵式通风的振荡频率;在使用URANS预测泵式通风的通风率时,要将平均通风率和脉动通风率之和作为URANS模拟所得到的泵式通风的通风率。泵式通风振荡频率与开口间距无关,但会受到所在楼层的影响,一楼的频率最低,二楼与三楼的频率几乎一致。增大开口间距可以提高通风率,一楼的通风率最高而三楼的通风率最低。与单开口相比,双开口的通风率在一楼可提高约123%,二楼可提高约65%,三楼可提高约44%。
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