捕风器通风特性实验与数值模拟研究

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在全球变暖和能源结构紧张的大背景下,自然通风在当代建筑中的应用越来越为人所重视,一些实用且具体的被动式自然通风技术应运而生,受到很多建筑师和工程师的青睐。捕风器作为一种典型的被动式自然通风设备,在自然条件下室内通风不足时,将风力引入到室内,实现强化通风,因其轻巧的结构,简单易行的安装方式,不过多受风向影响和有效避免火灾蔓延等特点,在众多自然通风技术中具有明显的优势。虽然捕风器在国外已经有了相当成熟的应用经验,但在中国的应用仍然较少,相关基础研究尚不成熟,目前国内还未形成基于中国各类气候特点的捕风结构设计相关指导,相关研究亟待开展。本研究采用实验测试与数值模拟分析结合的方法,对三种不同截面(矩形、方形、圆形)的捕风器在室外风场影响下的通风性能进行全面的探索和分析。实验在梯度增加的四个室外风速(3m/s~7m/s)条件和五个风向(0°~90°)条件下进行,捕风器连接到一个尺寸为3.5mⅹ4mⅹ3m的房间构成整个通风系统,根据截面、风速、风向的变化一共设计了60个实验工况。实验得到室内换气次数与室外风速呈正相关变化,且不同角度间的差异只有在较高风速条件(大于4m/s)下时才体现出显著性;风向与横截面对通风性能有耦合影响,其中0°和90°总是出现最佳的结果;此外相比于圆形,矩形和方形截面具有更高的通风效率。CFD数值模拟以实验系统为原型,对实验结果作出了验证与可视化分析,结果显示模拟结果与实验结果吻合良好,并通过风压系数预测得出了各工况下的空气进出口流动模式,可视化分析也对实验及模拟结果作出了详尽的解释。基于顶层捕风器的通风特性,本论文针对中国特有的高层建筑特点,设计出了一种可供侧面捕风的新型捕风结构。选取夏热冬冷地区典型城市(杭州)的一栋高层建筑留博楼,作为顶、侧两种捕风器的应用对象,在真实过渡季节室外风场条件下,对通风不足的建筑房间进行捕风器应用,结果显示两种捕风器都能起到一定的换气次数提升的作用,至少可提升4.84%。顶层捕风器的捕、排特性受到很大室外风场和建筑开口位置的影响,作捕风作用时,可为室内提升22.34%的换气次数;侧面捕风器适用于建筑开口与主流风向平行而导致通风不足的情况,其通风效果与室外风速直接相关,在建筑较高位置风速较大时,捕风效果也越好。本课题期待基于捕风器通风特性的理论研究,可为后续捕风器在中国各个城市的应用推广提出指导性的作用,也希望通过改良设计,一定程度上为高层建筑的通风问题提供一个新的解决途径。
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