基于CFD技术动态模拟的沈阳建筑大学庭院空间富氧化研究

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校园的室外空间环境是构成大学教育建筑的重要组成部分,随着人们对教学环境重要性的不断认识,知道教学环境不只局限于教室内,任何可以使学生获取知识的地方,都属于教学环境的范畴,校园室外环境的优化与建设问题正日益引起教育工作者、建筑设计人员的广泛关注。建筑富氧空间研究正是基于生态校园建设理念而提出,提高空间当中的氧气浓度,改善空间氧环境。   本文运用CFD技术,探讨其应用在建筑工程领域模拟氧气扩散的一般方法,并且通过实测和计算,同时对研究区域氧环境进行动态模拟,研究绿地释放氧气在城市风的作用下的空间分布,并以沈阳建筑大学庭院空间为例,定量分析评价建筑外部空间的氧环境,针对沈阳建筑大学庭院空间氧环境出现的问题,对庭院空间进行了优化,主要从建筑单体,绿地布局和形式,空间分隔这三个方面进行着手。着重于提高空间当中的氧气浓度,使氧气空间分布更均匀,并通过计算机模拟对现状优化改善方案进行了论证。通过优化后的庭院空间氧环境明显改善。最终总结出改善庭院空间氧环境的原则与方法。本文得到主要结论如下:   (1)运用Fluent软件模拟建筑室外环境氧气浓度分布问题:首先,模型建立过程需确定模型表达的重点,对模型进行适当的整合,去掉不需表达的部分,建筑轮廓上的细部可以忽略;其次,网格划分过程,采用网格划分适应能力强的非结构体网格,网格划分采用的单元类型为Tet/Hybrid,网格尺寸根据模型的需要进行分步处理,由于模型的底层边界较为复杂,同时又是研究分析的主要区域,需对模型底部进行了局部加密;最后,计算求解过程,区别于应用Fluent软件解决其他流体工程问题,氧气扩散问题伴随着质的传输过程,在控制方程的选择上,除了选择动量守恒方程和能量守恒方程之外,还应选择组分传输方程,即Species Transport模型,并且设置为壁面无化学反应类型。   (2)结合3S技术,通过实测和计算,计算出绿地释放的氧气使空气当中的氧气质量百分数由0.232提高到0.235,从提高绿地释氧能力和空间富氧角度出发,绿地结构多应采用乔灌草组合(QGC)、乔灌组合(QG)、乔草组合(QC)和单独乔木(Q)这四种种植方式。   (3)运用Fluent软件对沈阳建筑大学氧环境进行模拟,根据模拟结果分析得出如下主要结论:   (a)氧气浓度在不同风环境作用下的变化特征:相同风环境下,一般地面浓度最高。随着高度增加,自下而上浓度递减。靠近点源处的垂直廓线上各点的浓度较大,远离处的则较小。同一条垂直廓线上氧气浓度分布特征是随着高度增加浓度减少;不同风环境下,靠近点源处上各点的浓度较大,远离处的则较小。风速较大区域氧气的扩散范围较广,但相应局部浓度较低。这体现了环境风对氧气的扩散作用。表明风对氧气扩散是有影响的。   (b)由于建筑物的影响,相同风速条件下,水平区域内与氧源等距的不同模拟点处的浓度是不同的。浓度高低取决于该点所处的具体位置。那些通风不良的地方氧气不容易扩散,形成积聚,局部出现浓度的高值。建筑物的影响还表现在其背风面出现负压的地方氧气浓度往往较高。   (c)在不受前排建筑风影区影响的前高后底建筑组合方式,其庭院内部风环境更有利于氧气扩散;前排建筑底部架空的庭院,其底部空间氧气浓度较高的区域大于后排建筑底部架空的庭院。底部架空的庭院由于空气流通较好,风速较大,氧气的扩散效果较好。   (d)庭院的围合形式应有利于气体流通,在庭院内部空间气流组织上我们应当遵循以下原则:增加氧气流通的绝对长度,多方向诱导流动,挺高氧气在空间上的滞留时间,避免单方向扩散和局部聚集。在庭院内部空间气流组织上我们应当遵循增加氧气流通的绝对长度,多方向诱导流动,挺高氧气在空间上的滞留时间,避免单方向扩散和局部聚集,同时氧源布置应选择在主导风向的上风向,并且尽量为开敞空间。   (e)在下风口区域布置绿地应尽量采用分散式布置,需保证下风口的气流通畅,避开因绿地对风的阻碍产生回流或涡流。绿地形式应结合庭院使用功能进行设计,可以根据场地使用需要,选择带状,中心式,分散式、周边式等绿地形式进行布置。   (f)通过建筑屋顶绿化适当增加前排建筑高度,增强建筑物下洗作用,使植被释放的氧气迅速扩散至地面,在底部形成高浓度区域。在增加空气含氧量的同时,减少建筑背风区的涡流效应,提高空间的通风性,利于氧气的空间扩散。   (g)选取立面压力较小通风性较好的区域,进行墙面绿化,这样既提高竖向空间的氧气浓度,又丰富了空间的界面种类,使坚硬的建筑界面成为富有自然情趣的软界面。同时对于严寒地区,墙体绿化又有很好地隔热节能效果。
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