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基于漩涡脱落和“泵送流动”原理的背风侧设两个自由通风孔的建筑外围护护结构的风力驱动通风的二维数值模拟

摘要

本文研究了背风侧两种具有不同的水平孔径的通风孔在不同的风速和侧面比的单侧风力驱动的自然通风。在目前的工作中，CFD模拟使用雷诺平均纳维-斯托克方程进行，并采用压力校正链接方程来提供闭合。模拟结果表明，后壁后面的风流主要由泵送机构驱动，这是由于涡流脱落，其中风流方向以平均速率交替。在雷诺数范围内，风流速度增加，“泵”流的频率急剧增加。自由孔径分离的减小降低了外壳流量，而风流的频率几乎保持在恒定值。侧壁长度的增加对通风频率和无量纲通风流量的影响相似。数值研究进一步表明，当风速小于5米/秒时，通过增加进入风的风速可以促进无量纲通风率。当风速进一步增加时，这种促进将受到限制。通过后墙开口，可以应用建筑围护结构流量，围护流量频率的模拟结果来改善建筑物的通风性能。

关键词：风压驱动的自然通风 单面流体流动 漩涡脱落 数值模拟

1前言

能源需求和消费在全球范围内不断增加，这对我们的居住环境造成了巨大的负面影响。 在当今世界，由于建筑物内照明，通风，空调，家用和商用电器的使用，建筑物能耗是能源消耗最大的消耗者之一。 自然通风既能节省建筑物能耗，也能为人们有效的提供更好的热舒适和良好室内空气质量。自然通风的两个主要产生机制是风压和温差。 除非风压可以忽略不计或温度差足够大，否则风压驱动的流动在建筑物通风中占主导地位。 在本文中，由于风压效应占主导地位，因此仅考虑风压驱动的自然通风，并且不讨论浮力驱动的通风或浮力与风的相互作用。

关于风压驱动的自然通风，交叉通风和单侧通风是两种有代表性的通风形式。 许多以前发表的调查都集中在交叉通风，因为它有效的通风配置，确保相对较大的流量。 然而，在现代城市中，建筑大而厚的形状，安全要求和隐私问题经常妨碍交叉通风的设计。 因此，在某些情况下，当房间没有相对的窗户时，尽管效率较低，但单面通风成为可接受的模式。

图1.所研究的建筑物布置及其数值风洞域的一般表示，（a）建筑物草图的二维剖面图和（b）自然通风的计算域。

在物理结构方面，单侧通风可分为单孔通气（SS1）和多孔通气（SSn）。 对于SS1，独特的开口同时作为入口和出口; 而对于SSn的情况，入口和出口可以清楚地划分，这种配置可能会提供更有效的新鲜空气供应。

在一些关于SS1的研究中（Cockroft and Robertson, 1976; Dascalaki et al., 1995, 1996; Yamanaka et al., 2006）。 Cockroft和Robertson提出了一个理论模型，通过一个开口来预测一个围护结构的空气流速（Cockroft and Robertson, 1976）。 Dascalaki et al. （1995）实验研究了52个单侧通风配置并将他们的空气流量与自然通风模型的预测进行了比较。他们还进行了四次单侧自然通风实验，通过示踪气体衰变技术得出通过开口的平均空气流量（Dascalaki et al., 1996）。Yamanaka et al. （2006）通过风洞试验验证了脉动理论和混合层理论，并将它们与实验结果的方程相关联，以预测通过开口的空气流量。单侧通风的空气流速已经通过数值模型，理论定义或现场实验进行了预测。除了分析和实验方法之外，CFD方法还因其可接受的准确性和方便性而被广泛应用于预测SS1流。 Caciolo et al.（2012）使用LES和RANS方法预测单侧面通风中浮力和风相互作用产生的复杂流动，只有一个开口。他们的模拟结果与实验数据进行了比较，LES方法几乎没有差异。Ai et al.利用RANS方法和RNG k - ε模型对一些可能影响SS1流量预测精度的重要计算参数进行灵敏度分析（Ai and Mak，2014a）

图2网格灵敏度分析：分别沿X = 2.5 m和X = 7.5 m以及三种不同网格系统的速度大小分布的比较

表1进气风速，雷诺数和开口配置

表2

验证结果

RMS（CL）：升力系数的均方根，St：斯特劳哈数。

另一方面，多孔径（SSn）的情况尚未得到很好的研究。特别是，SSn可能比SS1更有效。研究人员采用了各种方法来预测SSn的流场和通风机制，包括分析方法，风洞实验和数值模拟。 Chu et al.（2015）研究了在同一墙壁上有两个相同开口的单立方体房间，并提出了一个简单的模型来预测风洞实验中的空气交换率。他们考虑了风角对通风率的影响。然而，孔径分离对通气率的影响并未包括在他们的研究中。 Allocca et al. （Allocaet al，2003）使用CFD模拟以及分析和经验模型来确定浮力，风和它们的组合对同一立面中具有两个不同高度的开口的房间的通风率的影响。除了Allocca等人的工作。 Ai等人也使用CFD模拟。确定SSn多层建筑的通风率。他们发现CFD方法尤其适用于确定多层建筑的通风率（Ai and Mak, 2014b）。

CFD模拟可以提供有关空气流量的详细信息，达到可接受的准确度，并以有效的方式计算不同配置的通风率。因此，采用CFD方法模拟SS2流动中的新通风机制。 Daish et al. (2016) 采用风洞实验研究了一幢2层高的建筑和一幢4层高的建筑，两层都有两个开口，并在风角的影响下开发了两级方法来计算流动速率和孔径分离。在他们的研究中，确定了一种新颖的通风驱动机制 -卡门涡阶。当通风口位于后壁上时，这种现象发生，其中流动方向交替，频率渐近接近斯特罗哈尔提出的经验公式计算值。然而，在他们的研究中没有确定进入的风流量和建筑物的侧面比率对通风率和振荡频率的影响。

涡流脱落是一种振荡流动，当空气或水等流体以一定速度流过阻流体时发生。在这个流动中，漩涡从身体的两侧连续脱落，然后在下游冲洗。在一定范围的雷洛数超过约90的极限值时，涡流从阻流体交替和周期性地脱落。结果，它们在其尾流中形成两排涡流，其中一排涡旋的中心与另一排中连续涡旋中心之间的中间点相对。这种漩涡的排列称为涡阶（Massey，1989）。关于涡旋脱落机理的研究有很多（Kawai, 1992, 1998; Hayashida et al., 1992; Suryanarayana and Prabhu, 2000; Wang et al., 2010） Kawai进行了风洞实验，研究了湍流边界层流对不同边比的高层建筑涡旋振动的抑制作用（Kawai，1992）。 Hayashida et al. 实验研究了不同平面形状的超高层建筑内涡激振动的阻尼效应（Hayashida et al., 1992）。通过Kawai（1998）对高层建筑的风洞试验，研究了拐角切割，衰退，粗糙度和圆度对涡旋脱落不稳定性的影响。Suryanarayana et al在雷洛数的一定范围内的球体上的水和风洞中进行了实验，以研究自然通风对边界层分离和近尾涡旋脱落特性的影响（Suryanarayana and Prabhu, 2000）。 Wang et al. 开发了一种POD方法来估算涡流中涡旋脱落的频率（Wang et al。，2010）。

本文的目的是判断水平孔径分离以及单侧通风相对于后壁上有两个孔的二维建筑物的侧面比率对进入风速大小的影响。 通过使用数值方法，将系统地研究接近风速，孔径分离和侧面比率对通风率和“泵送流量”的频率的影响。 详细分析了数值结果，说明了后壁上有两个开口的单面通风的特点和影响因素。

本文的以下部分安排如下，第二部分介绍了单侧自然通风的计算设置和控制参数，以及网格精确度分析和数值方法的代码验证。 第三节介绍了SS2流动的概况，并给出了数值模拟的结果，详细说明其中进入的自然风流速，孔径分离和封闭侧比率对体积通风流量和“泵送流量”的频率有影响。 在最后一节，将得出整个研究的结论。

2自然通风流量的计算设置

2.1计算几何和域

六面体建筑在第三维（高度方向）上是垂直的，并且足够长，以至于二维假设可以是有效的，即，具有12.5mtimes;5.0m的满刻度尺寸。图1（a）、图1（b）所示的计算域是根据Franke等人和Ramponi等人的指导原则定义的。 （Ramponi和Blocken，2012年）。原点位于建筑物的左下角。从建筑物到侧面和入口的距离均为15.0米，从建筑物到出口的距离为45.0米。计算域的结果维度65.0mtimes;42.5m，即图1（b）所示的Ltimes;W。对于任何传入风速，只有两个开口在打开状态下运行，即可以安排S1和S8，S2和S7，S3和S6，S4和S5的组合，相应的孔径间距s#39;#39;= 0.84,0.6，分别为0.36和0.12。这里的风流被认为是稳定的，等温的，不可压缩的和湍流的。

2.2边界条件

在纵向速度U的入口边界上假设均匀分布，而纬度速度V设定为零。 湍流强度和湍流粘度比分别设定为5％和10。 在域的下游范围应用流出边界。 建筑物外墙规定了防滑墙边界，用于模拟近壁区域的气流；域的横向边界被指定为对称边界条件，使得域可以接近真实的气候边界条件。

2.3计算设置

采用有限体积法求解控制方程。 二维RANS方程与k-omega;剪切应力传递（SST）模型一起求解。 Tominaga使用k-omega;SST模型成功地再现了单个建筑物周围的大规模不稳定流动模式，并且能够准确预测建筑物背后的速度分布（Tominaga，2015）。 李等人。 利用k-omega;SST模型进行CFD模拟，以表征不同风向的桥塔尾流中的风流，模拟结果与风洞试验的实验结果吻合良好（Li et al.，2017）。

图3.在（a）本模拟与（b）Iaccarino等人之间的方形圆柱体尾流中的流线的时间历史的比较。 （Iaccarino et al., 2003）。

SIMPLE算法用于压力 - 速度耦合，应用二阶压力插值，二阶迎风离散化方案用于动量方程。 k方程和omega;方程都由一阶逆风方案离散化。采用瞬态计算来监测某些参数随时间的演变，例如： 流量率。 时间步长△t等于1秒。 这里给出的瞬态计算的结果是在最后400个时间步长上的平均值，对应于400秒的流量时间，这是“泵送流量”的最大周期的至少3倍。 在通过窗口的最大流量被确定为稳定后终止模拟，因此平均时间足以在流量完全发展后获得统计数据。

为当前的研究设定了计算网格， 计算网格由总共128418个单元组成，在建筑物附近及其开口处具有高分辨率。 网格分辨率是使用三中不同网格进行网格灵敏度分析的结果，通过重新定义和粗化1.4倍的基本网格来创建。其中粗网格，细网格和细网格分别包含30396个网格，128418个网格和186916个网格。 在整个壁厚上使用2,3和4个单元，并且沿着开口分别使用10,14和20个单元用于粗糙，基本和细网格。 图2示出了情况1（表1）的X-Y平面X = 2.5m和X = 7.5m的测量线处的时间平均风速分布。 基线和细网提供几乎相同的结果，而粗网格的速度分布与细网格和网格网格的速度分布明显不同。 因此，现有的网格系统（细网格）足以以可接受的精度捕获流动现象。

图4.半周期内瞬态外壳流动的快照

2.5CFD验证方法

为了验证我们的数值模型在建筑物周围复制涡旋脱落的能力，使用URANS方法用k-omega;-SST湍流模型模拟方形圆柱体周围的非稳态流场，并与Lyn等人的实验数据进行比较。 （1995）和Vickery等。 （Vickery，1966）。预测结果也与Rodi等人报道的数值模拟结果进行了比较。 （Rodi，1997）和Iaccarino等。 （2003）关于精简的时间历史。在他们的研究中，通过LES和RANS方法模拟了建筑周围的不稳定流动。基于入口速度（Ui）和平方尺寸（h）的雷诺数是22000.域尺寸是Rodi等人推荐的。 （Rodi，1997），分别在流向和翼展方向上20小时times;14小时。正方形距离入口部分5小时。流线的时间历史清楚地显示了方形圆筒尾流中的周期性涡旋脱落。在我们目前的验证研究中，构建了一个相同的二维构建块。基于入口速度（U）的雷诺数和平方的大小h为21400域大小为

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