辽宁广告职业学院-高考体检项目

华南理工大学学报
(
自然科学版
)
第
37
卷 第
8
期
2009
年
8
月
JournalofSou thChinaUniversityofTechnology
(
NaturalScien ceEdition
)
Vol.
37
　
No.
8
A ugust
　
2009
文章编号
:1000
2
565X(
2009
)
08
2
0094
2
05
　
建筑外表面对流换热系数的
CFD
模拟
刘京　张文武　邵建涛
(< br>哈尔滨工业大学市政环境工程学院
,
黑龙江哈尔滨
150090
)3
摘　要
:
建筑外表面的对流换热系数是建筑节能和城市环境模拟的重要参数.
文中首先
对萘升华技术实测的建筑楼顶水平表面对流换热系数与计算流体力学
(
CFD
)
的模拟结果
进行对比
,
验证了
CFD模拟技术在建筑外表面对流换热系数研究中的可适用性
,
然后利
用
CFD
计算模型对单一建筑和
5
种建筑群的外表面对流换热系数进行模拟计算
,结果表
明
:
每一单体建筑表面的对流换热系数均是楼顶表面最大
,
背风墙表面最小
,
侧墙表面和
迎风墙表面几乎相等
;
建筑之间的间 距越大
,
建筑表面对流换热系数也越大
;
高层建筑会
使本身及其附近 建筑外表面的对流换热系数增大
;
在建筑群相互遮挡的情况下
,
风向的改变会导致建筑外表面对流换热系数的变化
.
也就是说
,
建筑外表面对流换 热系数受到风
速、风向、建筑密度及周围建筑高度的强烈影响
.
关键词
:建筑
;
外表面
;
对流换热系数
;
计算流体力学
中图分类号
:TU111.2
　　　　文献标识码
:A
　　随着人们生活水平 的提高
,
采暖空调设备应用
日益广泛
,
建筑能耗占国民经济总能耗的 比例越来
越大
.
在建筑节能中
,
正确地理解建筑物围护结构的
热物理特性
,
合理地选择围护结构
,
准确地计算围护
结构负荷是建 筑节能的重要部分
测建筑物空调的负荷
.
实测研究表明
,
夏季白天水 泥路面的最高温度
比草地高近
20
℃
,
油毡屋顶要高出
32
℃之多
[2]
[1]
对研究城市热岛的成因、建筑节能、城市环境及城市边界层的气象具有重要意义
.
但从研究现状看
,
由于
建筑物外表 面与大气之间的对流换热受室外波动的
风速、温度、建筑尺寸及布局等众多因素的影响
,
现
场实测十分困难且精度难以保证
,
导致国内外可靠
的实测数据严重缺乏< br>,
从而影响了对该问题的深入
研究
.
近年来
,CFD
正逐渐发展成为研究流体运动和
热力结构的重要手段
.
文中利用得到验证的
C FD
计
算模型进行模拟仿真
,
研究不同建筑工况及气象条件
下建筑外 表面对流换热系数的分布规律
.
.
只有准确了解
建筑围护结构内外表面的对流 换热系数才能准确预
.
表
面温度的升高促使更多的热量以对流的方式传递到
大 气中
,
从而提高了城市温度
.
近年来国内外相继开
始尝试利用屋顶绿 化等方式缓解热岛效应
,
但毫无
疑问
,
在可预计的将来
,< br>建筑外表面的对流换热依
然是构成城市热气候的最重要因素之一
,
也是城
市高温化和热岛效应的主要形成原因
.
而热岛效
应又导致了城市空调用电量的增加< br>,
加剧了城市
的建筑能耗
.
综上所述
,
系统研究建筑 外表面对流换热特性
　收稿日期
:2008
2
07
2
07< br>3基金项目
:
国家自然科学基金资助项目
(
40505025
)
1
　
CFD
模拟与现场实测的对比
针对城市风环境和热气候的具体 流体问题
,
影响
CFD
模拟结果的一个关键因素是湍流模型的选择
.
研
ε
模型在求究表明
,
在工程领域应用最广泛的标准
k2
解建筑物迎风侧角部附近湍流动能时存在着对湍动
动能生产项计算过大的缺点
,
在面对城市气候问题的
　作者简介
:
刘京
(
1972
2
)
,
男
,
教授
,
博士生导师
,
主要从事建筑热工和城市与建筑环境的研究
.E
2
mail:liujinghit 0@
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:

　第
8
期
[3]
刘京等
:
建筑外表面对流换热系数的
CFD
模拟
95
求解时也会产生较大的误差.
因此文中采用标准
ε
模型的改良版
LK
(
Laude r
2
Kato
)
模型对计算区域
k
2
[4
2
5]
进行模拟计算
,
可以较好地解决上述问题
.
为了保证 模拟结果的正确性
,
文中首先利用
CFD
模拟得到建筑楼顶水平表面平均对流 换热系数
,
与利用萘升华法实测所得到的建筑楼顶水平表面平
均对流换热系数进行比较
.
关于萘升华实测方法的开
发
,
以及实测的详细介绍可见文献
[6
2
9].
文中利用
Fluent
软件进行
CFD模拟
.
外表面对流换热系数利用
Fluent
自带的壁面函数法进行计算
,
通过固定建筑墙
体内表面的温度
,
实现建筑外表面对流换热、辐射 换
热、墙体导热以及太阳辐射换热的耦合计算
.
　　对比验证中
,Fluen t
模拟中的物理模型是按萘
升华法实测所在建筑的实际模型建立的
,
外形和尺
寸如图
1
所示
.
图
2
　建筑附近区域网格的划分< br>Fig.2
　
Gridsintheareasadjacenttothebuild ing
利用
CFD
技术对建筑楼顶水平表面进行模拟所得
平均对流换热系数< br>h
m
与风速的线性拟合关系如图
3
所示
,
其中风速均 为离楼顶表面
1
1
5m
高参考点的
风速值
,
从中可 分别得到建筑楼顶水平表面平均对流
(
5
)
所示
.
由式(
4
)
和换热系数的统计公式
,
如式
(
4)
、
式
(
5
)
对比可以看出
,
在误差 范围内
,Fluent
的模拟
结果与萘升华法的实测结果相吻合
.
与
Fluent
模拟
相比
,
在利用萘升华法进行实测的过程中
,
带入的实
测误差以及实际建筑表面不可能完全光滑等因素降
低了实测数据的线性相关 性
.
h
s
=7
.
9533
v
+1
.
5778
h
m
=7
.
9469
v
+1< br>.
7208
(
4
)
(
5
)
图
1
　物理模型
(
单位
:m
)
Fig.1
　
Physicalmodel
(
unit:m
)
　　计算域的入口和出口边 界分别被定义为速度入
口和出流
,
两个侧面及顶面均被定义为对称边界面
.< br>壁面定义为无滑移壁面
,
近壁区域参数采用标准壁
面函数进行计算
.< br>来流风速大小按指数为
0
1
14
的幂
函数形式定义
,
其数学关系如式
(
1
)
所示
.
入口边界
面 的湍流动能
k
和湍流耗散率
ε
分别用式
(
2
)和式
(
3
)
进行计算
[10]
:
v
=
v
ref
z
Z
ref
2
3
2
0< br>.
14
(
1
)
(
2
)
(
3
)
k
=0
1
01
v
ε
=
C
μ
k
Kz
3
4
式中
:v
为入口速度
,< br>ms
;z
为竖直高度
,
m
;Z
ref
为风< br>速参考点的高度
,
取
10m
;v
ref
为参考点的风 速
,
ms
;
K,C
.
μ
为常数
,
分别取
0
1
4
和
0
1
09
研究中的计算重 点在建筑外表面附近
,
故如图
2
所示
,
建模时对建筑外表面 附近区域的网格进行
了更细密的划分
.
　　利用萘升华法对建筑楼顶水平表面进行实测 所
得平均对流换热系数
h
s
与风速的线性拟合关系及
图
3< br>　平均对流换热系数和风速之间的关系
Fig.3
　
Relationship betweentheaverageconvetiveheat
2
transfer
coefficientandwindvelocity
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96
华南理工大学学报
(
自然科学版
)
第
37
卷
2
　
C FD
模拟对象及设定条件
由于建筑附近风速和风向受建筑密度和建筑高
度影响很大,
本研究分别针对理想情况下的单体建筑
和建筑群
,
分析不受建筑影响的 边界层顶部主流风速
和风向、城市建筑密度及建筑高度等因素对建筑外
表面对流换热的影响.
单体建筑模型为边长
20m
的
正立方体
.
建筑群的物 理模型如图
4
所示
,
每一建筑
的长度
(
x
轴方向
)
均为
20m,
宽度
(
y
轴方向
)
均为
15m.
根据模拟工况设置的不同
,
建筑
F
的 高度分别
被设置成
20m
和
60m,
其他建筑高度均为
20 m,
而
建筑之间的间距则分别被设置成
15m
和
10m.
文 中
共对
5
种典型的建筑群工况进行了模拟
,
具体设定
如表< br>1
所示
.
图
5
　单体建筑外表面对流换热系数随风向的变化< br>Fig.5
　
Variationofconvectiveheat
2
transfercoefficientwithwind
directionontheexte rnalsurfacesofisolatedbuilding
竖直外墙表面和水平楼顶表面平均对 流换热系数的
变化情况如图
5
所示
.
　　由图
5
可 见
,
随着风向的变化
,
建筑外墙平均对
流换热系数波动较大
,
在
θ
为
0
°和
90
°时
,
外墙 为迎
风面
,
对流换热系数达到了峰值
,
在
θ
为45
°和
135
°
时
,
由于竖直的建筑边沿使来流自然 分开
,
然后贴着
两侧的表面流动
,
减少了对建筑迎风面的撞击以及< br>建筑两侧的再附着
,
所以对流换热系数相对较小
;
0
°
<
θ
<45
°时
,
由于来流对建筑表面的撞击越来越
弱< br>,
对流换热系数值逐渐减小
.
建筑楼顶水平表面平
均对流换热系数随风 向的变化幅度较小
,
在
θ
为
0
°、
90
° 和
180
°时
,
楼顶表面对流换热系数最大
,
在
θ
为
45
°和
135
°时
,
由于建筑楼顶分离加剧< br>,
而再附着
的面积减少
,
楼顶表面对流换热系数最小
,
但两者差
值不超过
10%.
图
4
　建筑群的物理模型
Fi g.4
　
Physicalmodelofbuildingcomplex
表
1
　建筑群模拟工况的分布
Table1
　
Distributionof simulationcasesinbuildingcomplex
模拟工况
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
)
风向
θ

(
°
0
30
45
0
0
3.2
　建筑群的模拟结果
　　在表
1
所示模拟工况Ⅰ的条件下
,
建筑外表面
对流换热系数的分布如图< br>6
所示
.
　　图中每一矩形中间的数为相应建筑楼顶表面对
流换热系数 平均值
,
矩形四周的数为相应建筑墙体
表面对流换热系数平均值
.
　 　通过分析图
6
所示结果可见
,
每一建筑表面对
建筑间距
b
m
10
10
10
15
10
建筑
F
高度
d
m
20
20
20
20
60
　　与对 比验证相同
,
在边界条件设置时
,
入口面设
置为速度入口
,
出口面设置为出流
,
侧面和顶面设置
为对称面
.
对建筑墙体 壁面
,
均把建筑墙体内表面的
温度设置为定温边界
27
℃
.
远处来流风速大小按式
(
1
)
进行计算
,
其中风速 参考点高度
Z
ref
取
10m,
参考
风速
v
ref
取
5ms.
采用
LK
模型对计算区域进行计算
.< br>3
　
CFD
模拟结果及分析
3.1
　单体建筑的模拟结果　　对于单体建筑
,
风向
θ
每变化
15
°时
,
单体建筑
图
6
　模拟工况Ⅰ下对流换热系数的分布
(
单位< br>:W
(
m
2
・
K
))
Fig.6
　
Distributionofconvectiveheat
2
transferc oefficientin
case
Ⅰ
(
unit:W
(
m
・
K
))
2
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　第
8
期刘京等
:
建筑外表面对流换热系数的
CFD
模拟
97
对 流换热系数均是楼顶表面最大
,
背风墙表面最小
,
侧墙表面和迎风墙表面几乎 相等
;
沿着风向的方向
(
x
轴方向
)
,
建 筑群中每一竖排建筑相应外表面对
流换热系数均比前一竖排建筑要小
,
这种差别在前< br>两竖排最大
,
在后几竖排逐渐缩小
;
在垂直风向方向
(
y
轴方向
)
,
由建筑群中间横排往外相应建筑外表
面的对流换热系 数逐渐增大
,
这种增大的趋势沿着
风向的方向逐渐变大
.
　　以模拟 工况Ⅰ下各相应建筑表面对流换热系数
为基准
,
模拟工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ下相应建筑表 面对
流换热系数与其的比值分布如图
7
所示
.
通过对模拟工况Ⅰ、Ⅱ 及Ⅲ结果的对比分析可
得出
,
来流风向的改变导致了建筑群中风速流场的
改变
,
最终致使建筑群中每一建筑表面对流换热系
数均有不同程度的改变
.
随着风向的改变
,
当某一建
筑表面附近的风速流场受其它建筑遮挡影响变大
时
,
会导致这一表面对流换热系数的降低
;
当受到的
遮挡影响变小时
,
相应表面的对流换热系数就会增
大
;
受到的遮挡影响变化越大,
相应表面对流换热系
数的改变也越大
.
通过对模拟工况Ⅰ和Ⅳ结果的对 比分析可得
出
,
建筑之间的间距越大
,
即建筑密度越小
,< br>建筑表
面对流换热系数也越大
.
通过对模拟工况Ⅰ和Ⅴ结果的对比分析可得出
,
当建筑
F
变成高层建筑时
,
建筑
F
各个外表面
的对流换热系数均增大
,
其中背对建筑群的表面
(
朝南 面
)
增大幅度最大
,
其次为面对建筑群的表面
(
即朝北面< br>)
和迎风面
(
即朝西面
)
,
增大幅度最小的
为背风面
(
即朝东面
)
;
除此以外
,
高层建筑F
还会
使附近其它建筑表面的对流换热系数增大
,
且相对
应的建 筑表面离高层建筑
F
越近
,
它的对流换热系
数增大幅度越大
.
4
　结论
文中首先对萘升华法实测的建筑楼顶水平表面
对流换热系数与CFD
模拟结果进行对比验证
,
结果
表明
,CFD
模拟 完全可以用于建筑外表面的对流换
热系数的模拟
;
然后分别对单一建筑和
5< br>种建筑群
的外表面对流换热系数进行了模拟计算
,
得到以下
结论
:
(
1
)
每一单体建筑表面对流换热系数均是楼顶
表面最大
,
背风墙表面最小
,
侧墙表面和迎风墙表面
几乎相等
.
(
2
)
建筑之间的间距越大
,
即建筑密度越小
,
建< br>筑表面对流换热系数也越大
;
另外
,
高层建筑会使本
图
7
　各模拟工况与模拟工况Ⅰ下相应建筑外表面对流换
热系数的比值
Fig.7　
Ratiosofconvective
2
heattransfercoef ficientbetweenoth
2
ercasesandcase
Ⅰ
o ntheexternalsurfacesofbuildings
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98< br>华南理工大学学报
(
自然科学版
)
第
37
卷
身及其附近建筑外表面对流换热系数增大
.
(
3
)
对于存在建筑群相 互遮挡的情况
,
风向的
改变会导致建筑外表面对流换热系数的变化
;
综上
,
建筑外表面对流换热系数与风速、风向、建筑密度及
建筑高度有关
,< br>是一个随室外环境变化的动态参数
,
用一个简化的固定值来表示
,
必然 使其与实际结果
有较大的偏差
.
参考文献
:
[1]
　邵建涛
,
刘京
,
赵加宁
,
等
.
建筑外表面对流换 热实验
[5]
　
tstatusandfuturetrendsincompu2
tionalwindengineering[J].JournalofWindEngin eering
andIndustrialAerodynamics,1997,6768:3
2
34.
[6]
　邵建涛
,
刘京
,
赵加宁
,
等
.
建筑水平屋面对流换热特
性实验研究
[J].
华南 理工大学学报
:
自然科学版
,
2008,36
(
3
)
:134
2
139.
ShaoJian
2
tao,Liu Jing,ZhaoJia
2
ning,mental
investigationi ntoconvectiveheat
2
transfercharacteristics< br>ofhorizontalroofofbuilding[J].JournalofSouthChi na
UniversityofTechnology:NatureScienceEdition, 2008,
36
(
3
)
:134
2
139.
[7]
　付志鹏
.
采用萘升华技术对建筑外表面对流换热的研
研究进展[J].
建筑科学
,23
(
8
)
:92
297.
ShaoJian
2
tao,LiuJing,ZhaoJia
2
ning,on
experimentalstudyofconvectiveheattr ansferofbuilding
exteriorsurface[J].BuildingSci ence,3
(
8
)
:92
2
97.
[2]
　李延明
,
张济和
,
古润泽
.
北京城市绿化与热岛效应的
究
[D].
哈尔滨
:
哈尔滨工业大学市政环境工程学院
,< br>2007.
[8]
　
LiuJing,ShaoJian
2
t ao,ZhaoJia
2
ning,ea
2
surementofoutsi deconvectiveheattransfercoefficienton
horizonta lroofusingnaphthalenesublimationtechnology
[C]< br>∥
The6thInternationalConferenceonIndoorAirQuality,Ventilation&EnergyConservationinBuilding s.
Sendai:TohokuUniversityPress,2007:416
2417.
[9]
　张文武
.
城市不透水表面对流换热系数的实测和模拟< br>关系研究
[J].
城市园林
,2004
(
1
)
:72
2
75.
LiYan
2
ming,ZhangJi
2
he,GuRun
2
chonthe
relationshipbetwe enurbangreeningandtheeffectofur
2
banheatisl and[J].JournalofChineseLandscapeArchi
2
tect ure,2004
(
1
)
:72
2
75.
[3]< br>　村上周三
.CFD
与建筑环境设计
[M].
朱清宇
,
译
.
北
京
:
中国建筑工业出版社
,2007:2672
272.
[4]
　
ewofturbulencemodelsapp liedin
CWE
2
1997[J].JournalofWindEnginee ringandIndus
2
trialAerodynamics,1998,747576 :1
2
24.
研究
[D].
哈尔滨
:
哈尔滨工业大 学市政环境工程学
院
,2008.
[10]
　王福军
.
计算 流体动力学分析
[M].
北京
:
清华大学
出版社
,2004 :130
2
131.
CFDSimulationofConvectiveHeat
2
TransferCoefficientof
ExternalSurfaces ofBuildings
LiuJing
　
ZhangWen
2
wu
　
ShaoJian
2
tao
(
SchoolofMuni cipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteof Technology,Harbin150090,Heilongjiang,China
)
Abstract:Theconvectiveheat
2
transfercoeffi cient
(
CHTC
)
oftheexternalsurfaceofa buildingisanimportantpa
2
rameterforthpaper, theCHTCof
buildingroofplanewasmeasuredinthefiel dviathenaphthalenesublimationmethod,andtheresultsw erecom
2
paredwiththesimulatedonesobtainedby thecomputationalfluiddynamics
(
CFD
)
method,withthefeasibilityof
,theCHTCsoftheexter nalsurfacesof
anisolatedbuilultsindicate
tha t
(
1
)
foranisolatedbuilding,theCHTCs oftheroofandtheleewardwallarerespectivelythelarges tandthe
smallest,andtheCHTCofsidewallsisalmoste qualtothatofwindwardwalls;
(
2
)
forbu ildingcomplexes,the
CHTCincreaseswiththegapbetw eenbuildings;
(
3
)
theCHTCsoftheexter nalsurfacesofatallbuildingandits
adjacentbuildi ngsarelargerthanthoseofotherbuildings;and
(
4
)
thechangeofinflowwinddirectionmayresult< br>usconcludedthattheCHTCofexternalsurfaceofabuild ingis
greatlyaffectedbythewindvelocity,thewindd irection,thebuildingdensity,andthebuildingheight.< br>Keywords:building;externalsurface;convectivehea t
2
transfercoefficient;computationalfluiddy namics
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http: