基于CFD特朗勃墙通风特性及结构联合优化的研究

1 计算模型及方案

1.1 技术参数及工作原理

以本工程南楼2号房间为例进行数值模拟，其主要结构参数见表1。

                   表1 主要结构参数             m

特朗勃墙类型较多，主要构件一般包括玻璃盖板、空气夹层、蓄热墙体、上风口、下风口、排风口。其工作原理是玻璃盖板和蓄热墙在太阳光的辐射下，使空气夹层内的空气受热，温度升高并形成密度差，进而推动热气流向上自然流动。在通风模式下，室内空气从蓄热墙的下风口经空气夹层由排风口排到室外；在采暖模式下，室内空气从蓄热墙的下风口经空气夹层由上风口再次送入室内。特朗勃墙工作原理如图1所示。

图1 特朗勃墙工作原理示意

1.2 试验方案

本研究针对17种不同风口结构的特朗勃墙进行数值计算，计算模型主要分为两类，一类是进出风口面积（0~12 m2）相同，5种不同几何形式（正方形、圆形、矩形长宽比1∶4、矩形长宽比1∶3、矩形长宽比1∶2）的风口；另一类是进出风口几何形式（矩形且长宽比为1∶4）相同，但风口的面积不同。

1.3 计算域模型及网格划分

根据本工程南楼2号房间的结构参数，建立17种不同风口结构的特朗勃墙计算域模型。

计算域模型各结构均利用ICEM软件进行六面体结构化网格划分。针对圆形风口采用“O”形网格，且形成了0.9以上的高质量网格。

另外考虑空气夹层两侧壁面和进出风口边界气流较为复杂，根据Automatic壁面函数性质，对近壁区网格局部进行加密处理，因计算采用SST湍流模型，故设置第一层网格单元的中心点与固体壁面的垂直距离y*<1，壁面边界层边网格为10层，且加密网格与周围网格采用1.2的过渡比实现网格平滑过渡。

为减小网格数量引起的误差，对17类不同风口结构的特朗勃墙进行网格无关性检验，所有计算域模型网格数量均在130万左右。以长宽比为1∶4、与蓄热墙面积之比为3.50 %的矩形风口为例，当网格节点数为130.96万时，排风口通风量Q、排风口压力P的变化幅度均在1.5 %以内，满足计算要求，网格无关性检验如图2所示。

图2 网格无关性检验

1.4 控制方程及边界条件

本数值模拟基于CFX软件，采用流体连续方程和Reynolds平均Navier–Stokes方程，结合SST湍流模型对方程组封闭。该模型的优点在于考虑了湍流剪切应力传输，可以准确预测湍流的开始，避免负压强梯度条件下流体发生脱离壁面的现象，从而不会对涡流粘度造成过渡预测。

另外，它预测存在逆压梯度或近壁面的流动具有较大优势，对于近壁面雷诺数较小的流动收敛性和稳定性较好。

模型假设：空气密度符合Boussinesq假设；所有结构密封性能完好；温度与材料特性无关；不考虑壁面间辐射传热；将太阳辐射简化为定热流量模型。

介质及构件物理参数：空气温度为22.5 ℃，密度为1.205 kg/m³，导热系数为0.242 W/（m·K），粘性系数为0.0 000 179 kg/（m·s），热膨胀系数为0.00 338 K^–1；玻璃吸热系数为0.06；透射系数为0.85，反射系数为0.09；蓄热墙表面涂层吸热系数为0.95，故集热壁面每吸收100 W/m²太阳辐射，玻璃盖板接收的热流为7.43 W/m²。

边界条件：计算模型的进风口均采用压力边界条件，温度为295 K；排风口采用开放边界条件，温度为306 K；玻璃壁面热流密度设为22.92 W/m²，集热壁面热流密度设为300 W/m²，其他壁面热流密度设为0 W/m²。环境压力采用标准大气压101 325 Pa，计算收敛精度为10^–5。以长宽比为1∶4的矩形风口结构为例，对计算域的边界条件具体位置进行说明。

2 试验结果分析

设置上述边界条件，以排风口通风量为验证指标进行数值模拟，将计算结果与试验结果进行对比，发现相对误差为3.17 %，两者吻合良好，符合计算要求，故在此基础上，再对其他结构类型的特朗勃墙进行数值模拟，重点探究特朗勃墙风口结构差异性及优化可行性。

2.1 流态分布

为探究风口几何形式对夹层内空气流动的影响，将同一面积、5类不同风口特朗勃墙沿纵中轴线的正截面和侧截面的流速场、温度场进行对比分析。夹层内的空气在热压作用呈向上流动趋势，在进出风口面积一致的情况下，无论风口的几何形式是圆形、正方形还是不同长宽比的矩形，夹层内的空气流态基本一致，整体呈半弧型向上流动且两侧流速较大趋势；另外，气流在夹层角落因遇到壁面阻碍，造成局部损失增大。风口的几何形式对气流的影响又存在差异，主要表现在当风口为圆形或正方形时，进气口的气流在向上流动时呈现出向中心轴线聚拢之势，流线较不均匀；当风口改为矩形时，这种趋势有所减弱，且随着长宽比的增大，流线更均匀，这主要是由排风口长度的局限性造成的，故在其他条件一定时，特朗勃墙的风口选择长宽比较大的矩形对空气流动更有利。

当夹层高度及宽度、太阳辐射等条件一定时，特朗勃墙风口的几何结构对空气流速的影响表现出一致性和差异性。

一致性体现在空气流速从蓄热墙至玻璃板呈下降趋势，且在靠近玻璃板中段的流速最小，在排风口处流速最大。差异性体现在空气由进风口流入空气夹层后，在空气夹层底部和进风口末端会出现不同程度的空气回流现象，这是由进风口局限性导致的，当风口为长宽比为1∶4的矩形时，可减弱空气回流，更有利于气流上升排出。另外，建议特朗勃墙进风口与房间地面的距离尽可能小，这样可在一定程度上降低空气回流导致的能量损失，更利于气流流动。

热压自然通风是因空气存在温度差，通风模式下，无论风口采用哪种几何形式，夹层内空气的温度都随着高度的增加逐渐增大，且沿着蓄热墙至玻璃板的垂直方向逐渐减小，呈现出明显的压力梯度，正是由于夹层内温度差的存在，室内外才会产生密度差，从而形成“烟囱效应”。

另外，相较于圆形或正方形风口，矩形风口温差更大且分布更均匀。根据空气流态分析可知，风口设为长宽比1∶4的矩形时通风性能更理想，故在此基础上进一步探究特朗勃墙风口面积对空气夹层内空气流动特性的影响。

对13种不同风口面积特朗勃墙的流速场、温度场进行对比分析（取6种典型工况，即风口与蓄热墙面积之比S分别为0.5 %、2.5 %、4.5 %、6.5 %、8.5 %、10.5 %）。

当进出风口几何形式一定时，随着风口面积的增大，气流流态分布更稳定均匀，气流最大速度呈减小趋势，这是因风口面积增大后，气流损失降低，更有利于气流排出。当S=0.5 %时，气流出现回流现象，能量损失较大。当S>2.5 %时，气流分布较均匀且变化幅度较小，因此从流态特性分析可知，风口与蓄热墙面积最佳之比在0.5 %~2.5 %。故该研究进一步探究了S=0.75 %、S=1.0 %、S=1.5 %的工况，发现风口与蓄热墙面积最佳之比为1.0 %左右。

当进出风口几何形式一定时，随着风口面积的增大，夹层内空气最大温度整体呈减小趋势且温差分布较均匀。当S>2.5 %时，温度分布基本不再变化，故随着风口面积的增大，夹层内气流温差变化并非线性关系，而是存在最佳面积之比，约为1.0 %。

2.2 排风口通风量及压力分析

在特朗勃墙的进出风口面积一致且均为长宽比1∶4矩形的基础上，探究13种不同面积的风口对通风性能的影响。将排风口通风量Q、排风口压力P作为研究指标。排风口通风量Q值越大，说明通风效率越高；排风口压力P值越大，说明越有利于抵抗室外风压。

随着风口面积的增大，排风口通风量也随之增大，这是因为风口面积增大后，空间阻力减小，空气局部损失降低，可使更多的空气进入下风口，从而经空气夹层至排风口排出。另外，需要注意的是排风口通风量并非呈线性增长特征，而是随着风口面积的增大，增长趋势减缓，且当风口与蓄热墙面积之比在1.0 %~1.5 %时增长最快。分析通风量可知，增大风口面积有利于提高通风性能。

在实际应用中，空气夹层内气流的驱动除了受主要因素热压的影响外，还会受外界环境风压的影响，若风压作用与热压作用方向相反，则会降低通风效率，严重时还会使夹层内空气产生倒流，因此，在实际工程中还需考虑外界风压的作用。排风口压力越大，越利于抵抗外界风压。随着风口面积的增大，排风口压力出现了先增大后降低的拐点，即风口与蓄热墙面积之比为1.0 %，因此该实际工程的特朗勃墙采用该结构更有利于抵抗外界风压的副作用。

2.3 进出风口温差及流速分析

特朗勃墙自然通风主要是利用热压驱动空气的，正是因温度差的存在，夹层内被加热的空气因其密度小而上升，较冷而密度略大的空气不断补充，从而形成良性循环。因此将进出口的空气温差和流速作为研究指标，探究13种不同面积的风口对通风性能的影响。进出口空气温差T越大或空气流速V越大，代表通风性能越强。

随着风口面积的增大，进出风口温差呈下降趋势且下降率也随之变缓，并非线性关系。尤其当S>4.5 %时，温差变化幅度很小；当0.5 %≤S≤2.5 %时，温度差较大且变化幅度较大。

风口的空气流速变化趋势与温差变化趋势类似，均随着风口面积的增大，呈下降且下降率变缓趋势。这是因风口面积增大后，气流阻力减小且可较稳定地经夹层后由排风口排出。另外，排风口空气流速始终大于进风口流速，故该类风口更利于实现自然通风的目的。

针对进出风口空气温差T和空气流速V分析，可见S越小越利于通风效率的提高，另外考虑到气流流态均匀性，选择特朗勃墙的风口与蓄热墙面积之比为1.0 %~1.5 %更宜。

建议2号房间特朗勃墙采用风口与蓄热墙面积之比为1.0 %的结构，即风口为长0.648 m、宽0.162 m的矩形结构。

3 结论

（1）特朗勃墙采用不同的风口结构，空气流态存在一定差异，矩形风口较圆形或正方形风口流态及温差分布更均匀，尤其长宽比为1∶4的矩形风口更有利。

（2）针对长宽比为1∶4的矩形风口，当风口与蓄热墙面积之比大于2.5 %时，流态分布、温度分布变化趋势减缓。

（3）在进出风口均为1∶4的矩形条件下，随风口面积的增大，排风口风量呈非线性增长趋势，排风口压力存在先增大后降低的最大值拐点，考虑到外界风压作用，风口与蓄热墙最佳面积之比为1.0 %。

（4）针对本工程实现绿色节能目标，建议特朗勃墙采用风口与蓄热墙面积之比为1.0 %的结构，即长0.648 m、宽0.162 m的矩形风口。