风压作用下的自然通风阻力特性的探讨
第31卷 第2期2004年4月
文章编号:1000 2472(2004)02 0084 05
湖南大学学报(自然科学版)
JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)Vol.31,No.2Apr 2004
风压作用下的自然通风阻力特性的探讨
龚光彩1,李红祥1,聂美清2,谢更新1,李玉国3
(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;
2.中国通用机械工程总公司,北京 100050;3.香港大学机械工程系,香港)
摘 要:探讨了风压作用下大开口的自然通风阻力特性,并提出了用局部损失迭加法来计算阻力损失,即认为通过建筑物的气流是由不同的突缩段和突扩段的组合.由此可推出进、出口的流量系数不同,从而得到一种简单的估算自然通风量的计算方法.与试验值进行验证,相比通常的计算方法,此方法误差更小.
关键词:自然通风;风压;局部损失迭加法;风量计算
中图分类号:TU834 1;TB126 文献标识码:A
DiscussionontheResistancePropertyofNaturalVentilation
InducedbyWindForce
GONGGuang cai,LIHong xiang,NIEMei qing,XIEGeng xin,LIYu guo
(1.CollegeofCivilEngineering,HunanUniv,Changsha410082,China;
2.ChinaNationalGeneralMachineryEngineeringCorporation(GME),Beijing,100050;
3.DeptofMechanicalEngineering,HongkongUniv,Hongkong)
1
1
2
1
3
Abstract:Throughthediscussionoftheresistancepropertiesofnaturalventilationinducedbywindforce,amethodoflocalpressurelosssuperpositionwasproposedtocalculatethepressureloss.Airflowthroughbuildingsiscomposedofthesuddencontractionsectionandthesuddenexpansionsection.Fromthis,wecanconcludethatthedischargecoefficientsoftheinletopeningandtheoutletopeningaredifferent.Asimplemethodtoestimatetheflowratethroughbuildingswithlargeopeningswasobtained,andcomparedwiththeexperimentalresults,thecalculatedvalueswiththeabovementionedmethodperformbetterthanthosewiththeconventionalmethod.
Keywords:naturalventilation;windforce;localpressurelosssuperposition;flowratecalculation
随着人类社会的进步、科技的发展,人们追求一个更为舒适、便利的环境,但遗憾的是同时带来了能源的大量消耗、环境的污染和一些现代病的出现.随着可持续发展战略的提出,发展生态建筑也是大势所趋,同时为了满足人们亲近自然、回归自然的需求[3],自然通风这项古老的技术重新得到了重视[4].为了提高自然通风的效果,在建筑设计时除了考虑建筑选址、朝向、间距、建筑群布局和内部
[5,6]
空间分布外,对于设计者来说,自然通风量的计
[1,2]
算是一个很重要的关键.本文通过对风压作用下自
然通风的阻力特性的探讨,提出了一种在风压作用下简单的估算自然通风量的计算方法.
1 能量与质量守恒方程
1 1 能量守恒方程
假设以流经房间的空气的实际流场为控制体,如图1,我们可以得到经过各过流断面能量守恒方程:
收稿日期:2003 03 25
基金项目:科技部社会公益专项:居住环境监测及对人体健康影响的研究(2001DIA10001)作者简介:龚光彩(1965-),男,湖南澧县人,湖南大学教授.
第2期龚光彩等:风压作用下的自然通风阻力特性的探讨
85
A和B为空气来流断面,C为入流进口断面,D为入流出口断面,E为房间中心断面,F为出流进口断面,G为出流出口断面,H和I为尾流断面
图1 风压作用下的单间双孔通风的实际管流
Fig.1 Virtualstreamtubepassingthroughbuildingwithlargeopenings
m
QmQm2Am
2
+
Qm(P/ )m+
m
LPt=0
(1)
可表示为
*****
LP*CG=LPCE+LPEG=LPCD+LPDE+LPEG
(6)
上式中,各部分可以认为是相应两断面间的局部损失.依照工程流体动力学原理,总的能量损失包括摩擦损失和压力损失(压力损失即局部损失).若是均匀流量场,可以通过计算摩擦损失来计算总的损失,若是非均匀流量场,可以通过计算压力损失来计算总的损失.由于气体出流可以认为是淹没出流,一般地我们通过计算非均匀流的任两断面的静压差来得出总的能量损失LP*.实际上,通过房间的气流是一种典型的非均匀流.我们可以通过定义任两断面的压力损失系数来计算能量损失:! !(Qm)2
LP*m= m!2Am
方程(7)可以转化成
!Pm= m!所以有
2
! !()(9)2ACLP*! !()2(10)DE= DE!2AC
LP*! !()2(11)EG= EG!2AG
QC2AC2!PCE= CE!! !(),或 CE=!PCE!!(2ACQC)
(12)
LPCD= CD!
*
方程(1)中,m是指各过流断面,Qm指过m断面的
流量,Am是m断面的面积.方程中第一项是m断面的总动能,第二项是m断面的总静压能,第三项是两断面之间能量损失.1 2 质量守恒方程
对于进出口,如C断面和G断面,其流量必须满足以下方程
C=C1,C2,
inflow
m C-
G=G1,G2,
outflow
m G=0
(2)(3)
或 (QC-QG)=0方程(2)中m指质量流量.
(7)
2 穿堂风的实际流动过程的分析
对一个两侧开口的房间,当在风压的作用下时
有穿堂风通过,如图1,其C断面与G断面之间的能量方程(1)可以转化成如下的伯努利方程:
QC2PC+ )-C! C!(2ACPG+
QG2 )-LP*G! G!(CG=02AG
***LP*CD+LPDG=LPCF+LPFG=*LP*CE+LPEG
Qm2! !()2Am
(8)
(4)
****
LP*CG=LPCD+LPDE+LPEF+LPFG=
同理,
(5)
方程(5)是C与G断面之间的总的能量损失,实际上是各局部阻力损失迭加的总和. C和 G为C断面和G断面的动能修正系数.
这里我们采用半经验分析方法.我们可以考虑将空气的流程分为三段如:C∀D,D∀E和E∀G.气流通过房间的总的能量损失就是从C断面到G断同理,在E断面与G断面之间有如下表达式:!PEG= EG!
QGAG! !()2,或 PEG!!()2EG=!2AGQG
(13)
方程(8)~(13)中,!P是两断面之间的静压差.根据方程(12)和(13),我们可以得到通过C断面和G
86QC=QG=
!A!
C
CE
湖南大学学报(自然科学版)2004年
2!!PCE
,(14)
3 讨论
3 1 通常的计算方法
在通常的计算方法中,一般认为进出口的流量系数相等[7 13],常取Cd=Cd1=Cd2=0.6~0.62.因此方程(25)可化为
Q=Cd!其中A#=
AC!AG
C+
G
2!!PEG!AG!(15)
EGA
本文因不考虑热压作用,可以认为密度 和流
量Q不变.因此可得到C断面和G断面的静压力PC和PG为
2
PC=CP1!! (16)ref!Vref,2
2
和 PG=CP2!! (17)ref!Vref,2
2
因此 !P=CP1!! ref!Vref-2
2
CP2!! (18)ref!Vref
2
根据方程(5)和(6),方程(18)可以化成以下形式
*
!P=!PCE+!PEG=LP*CE+LPEG
!
AC!AG
AC+AG
=Cd!A!
(26)
#
AA
3 2 作者提出的计算方法
观察图1和方程(9)~(11),我们会发现C∀D和E∀G近似突缩局部损失,而D∀E近似突扩局部损失.因此我们只需确定局部损失系数.如果是锐缘进口,我们可以近似认为局部损失系数为0.5,即:
CD∃ EG∃0.5
上 EG的值可由以下公式粗略计算
(27)
一般地,方程(27)的值可由静力学推导出来.实际
为有效面积
(19)
实际上,方程(19)只是方程(6)的另外一种形式.在
3
方程(16)~(18)中, ref是环境空气密度(kg/m),
CP1和CP2是风压系数,Vref是远处来流建筑高度上的平均风速(m/s).
由于QC=QG,设QC=QG=Q
由方程(12),(13),方程(19)可以化为如下形式QCQG!P= ! !()2+ ! !()2=CE!EG!2AC2AG
! !Q2!!( !( CE)+EGA)2
2ACA2G
(21)
由方程(21)又可得到Q=
!
!( CE)+EG)2!( ACA2G
(22)
一般我们定义一个流量系数Cd
Cd=则 Cd1=
(23)(20)
EG∃0.5!(1- EG=0.5)
G
)(如果AG/AE∃0,则AE
(28)
另外,局部损失系数 DE也可以由公式表示 DE∃(1-1.0)的表达式
CE∃0.5+1=1.5, EG∃0.5.流量系数
Cd1=Cd2
=0.82CE
=1.41
=CE
(32)(33)(30)(31)
AC2
),(如果AC/AE∃0,则 DE=AE
(29)
所以,根据公式(27)~(29),可以粗略地得到以下
另根据公式(30)和(31)可粗略地得到如下的
CE同时Cd2=
EG
因此,方程(22)又可以化为Q=
!实际上,根据式(28)~(29)可得到如下的表达式
(24)
(34)
AC2
.5+(1-)AW
Cd2==(35)#
AGEG
0.5!(1-)AW
,Cd1=
!()+!()A2C2A2C2Cd1Gd2
第2期龚光彩等:风压作用下的自然通风阻力特性的探讨
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两个相连的房间如图2,前后及中间墙体各有一个开口(门或窗),各个开口的流量系数Cd可由公式(36)~(38)计算:Cd1=
.5+(1-Aop12
)Aw1
(假设Aop1/Aw1=0)(36)
Cd2=∃0.82
Aop2Aop22
.5!(1-)+(1-)
Aw2Aw2
(假设Aop2/Aw2=0)(37)Cd3=
Aop3
.5!(1
-)Aw3
(假设Aop3/Aw3=0)
∃1.41
(38)
∃0.82
以看出通常的计算方法计算值(即Q1)偏小,而作者提出的方法计算值(即Q2)与实验值(即Q0)较吻合且符合一些实际的自然现象;作者的方法与通常的方法不同之处在于Cd的取值不同,通常的计算方法取值偏小且忽视了Cd1与Cd2的值其实并不相等,而作者提出的方法从实际自然通风的阻力特性出发,用局部损失迭加法计算阻力损失并粗略得出Cd1与Cd2的值,从实验值也可以推出Cd1与Cd2的值并不相等,且对实验值进行统计平均的话会发现Cd1与Cd2的值在0.82和1.41左右,当然这只是作者在简化的模型上初步得出的一些结论,以后将在建模、实验和CFD方面作进一步的工作.
4 结 论
自然通风技术符合可持续发展的要求且可改善室内空气品质,因此在一些新型建筑中重新得到了重视.通过对风压作用下的自然通风的阻力特性的探讨,提出用局部阻力损失迭加法来计算阻力损失,即认为通过大开口建筑的实际流场的压力损失过程可分为不同的突扩段和突缩段的组合,因此在计算
图2 风压作用下的多区通风
Fig.2 Multi zoneventilationunderwindpressure
自然通风量时,不同的进、出口实际的阻力损失过程
是不同的,从而导致它们的流量系数不相等,这也是本文提出的简单的估算自然通风量的方法不同于通常的计算方法的地方.通过用这两种方法进行计算并与试验值进行了比较,作者提出的方法误差较小.但是大开口的自然通风建筑的气流流动过程较为复杂,影响大开口流量系数的因数较多,对此还需作进一步的研究.
3 3 与试验值进行比较
文献[14]做了风压作用下的自然通风的风洞实验,其实验模型可以简化为如图1所示,其实验数据与通常的计算方法及作者提出的方法进行了比较,如表1和表2.表1中AE=AG,表2中AE%AG,比较结果可
表1 进出口面积相同时,实验值与用两种不同计算方法得到的计算值相比较
Tab.1 Comparisonbetweenexperimentresultsandthecalculationvaluesusingthetwovariablemethodswiththesameopeningareas
编号[1**********]11
AE=AG/(10-4!m2)
559999917.317.33636
Q0
PC/Pa
/(10-4!m3!s-1)
3.323.199.587.925.946.455.1113.812.9136.5433.48
0.650.60.570.590.620.610.630.630.670.630.68
PE/Pa0.080.05-0.11-0.040.120.20.220.070.18-0.330.06
PG/Pa-0.12-0.16-0.11-0.12-0.12-0.11-0.12-0.16-0.1-0.15-0.09
Cd10.680.671.000.860.720.870.690.830.830.91
Cd21.151.08&2.411.041.000.751.291.091.86
Q1
/(10-4!m3!s-1)
2.402.394.074.154.244.184.278.428.3217.4217.31
Err10.280.250.580.480.290.350.160.390.360.520.48
Q2
/(10-4!m3!s-1)
4.013.986.776.927.076.977.1214.0413.8629.0228.84
Err20.210.250.290.130.190.080.390.020.070.210.14
0.801/0.54i
附1:表中实验数据来自文献[14];Q1为用通常的计算方法计算出来的值,Err1为Q1与实验值Q0的相对误差;Q2为用作者的计算方法计0.
88
湖南大学学报(自然科学版)2004年
表2 进出口面积不同时,实验值与用两种不同计算方法得到的计算值相比较
Tab.2 Comparisonbetweenexperimentresultsandthecalculationvaluesusingthetwovariablemethodswithdifferentopeningareas
编号[**************]
/
Q0-4-1)(10!m3!s
17.5121.346.016.394.734.616.6117.894.64.475.755.62
/
AE-(104!m2)3617.336517.353617.317.35365
/
AG-(104!m2)17.336536517.317.336517.3536
PC/PaPE/PaPG/Pa0.640.60.60.60.610.680.670.61
0.43-0.17-0.29-0.170.53-0.18-0.15-0.150.49-0.180.53
0.09
Cd10.820.491.140.610.840.920.650.82
Cd21.011.10&0.901.460.940.881.16
/(10-4!
Q1
m3!s-1)
Err10.380.500.440.480.300.300.360.420.290.280.430.41
/
Q2-4(10!m3!
21.8515.427.844.557.264.4721.3015.017.124.507.584.55
s-1)
Err20.250.280.300.290.540.030.280.160.550.010.320.19
10.8710.603.393.323.313.2010.5910.323.243.223.283.32
1.011/0.75i
0.59-0.13-0.150.65-0.14-0.08
0.57-0.09
0.66-0.06-0.090.66-0.11-0.09
0.901/0.63i
0.65-0.121/1.62i1.02
0.991/1.17i
附2:数据来源及说明见上附1.
1994.
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