捕风器通风特性实验与数值模拟研究——以长江流域地区典型城市为例

摘要

在全球变暖和能源结构紧张的大背景下，自然通风在当代建筑中的应用越来越为人所重视，一些实用且具体的被动式自然通风技术应运而生，受到很多建筑师和工程师的青睐。捕风器作为一种典型的被动式自然通风设备，在自然条件下室内通风不足时，将风力引入到室内，实现强化通风，因其轻巧的结构，简单易行的安装方式，不过多受风向影响和有效避免火灾蔓延等特点，在众多自然通风技术中具有明显的优势。虽然捕风器在国外已经有了相当成熟的应用经验，但在中国的应用仍然较少，相关基础研究尚不成熟，目前国内还未形成基于中国各类气候特点的捕风结构设计相关指导，相关研究亟待开展。　　本研究采用实验测试与数值模拟分析结合的方法，对三种不同截面（矩形、方形、圆形）的捕风器在室外风场影响下的通风性能进行全面的探索和分析。实验在梯度增加的四个室外风速（3m/s~7m/s）条件和五个风向（0°~90°）条件下进行，捕风器连接到一个尺寸为 3.5m×4m×3m 的房间构成整个通风系统，根据截面、风速、风向的变化一共设计了60个实验工况。实验得到室内换气次数与室外风速呈正相关变化，且不同角度间的差异只有在较高风速条件（大于 4m/s）下时才体现出显著性；风向与横截面对通风性能有耦合影响，其中0°和90°总是出现最佳的结果；此外相比于圆形，矩形和方形截面具有更高的通风效率。CFD 数值模拟以实验系统为原型，对实验结果作出了验证与可视化分析，结果显示模拟结果与实验结果吻合良好，并通过风压系数预测得出了各工况下的空气进出口流动模式，可视化分析也对实验及模拟结果作出了详尽的解释。　　基于顶层捕风器的通风特性，本论文针对中国特有的高层建筑特点，设计出了一种可供侧面捕风的新型捕风结构。选取夏热冬冷地区典型城市（杭州）的一栋高层建筑留博楼，作为顶、侧两种捕风器的应用对象，在真实过渡季节室外风场条件下，对通风不足的建筑房间进行捕风器应用，结果显示两种捕风器都能起到一定的换气次数提升的作用，至少可提升4.84%。顶层捕风器的捕、排特性受到很大室外风场和建筑开口位置的影响，作捕风作用时，可为室内提升 22.34%的换气次数；侧面捕风器适用于建筑开口与主流风向平行而导致通风不足的情况，其通风效果与室外风速直接相关，在建筑较高位置风速较大时，捕风效果也越好。　　本课题期待基于捕风器通风特性的理论研究，可为后续捕风器在中国各个城市的应用推广提出指导性的作用，也希望通过改良设计，一定程度上为高层建筑的通风问题提供一个新的解决途径。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 自然通风背景

1.1.2 被动式自然通风技术

1.1.3 捕风器研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 研究现状总结

1.3.1 研究目的及内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 研究意义及创新点

1.4 课题来源

2 捕风器及其自然通风特性

2.1.1 通风基础理论

2.1.2 捕风器组成构件

2.1.3 捕风器通风原理

2.2.1 传统捕风器

2.2.2 现代捕风器

2.3.1 换气次数

2.3.2 风压系数

2.4 本章小结

3 捕风系统实验研究

3.1 实验系统概述

3.1.1 系统建立

3.1.2 测试方法

3.1.3 仪器及测点方案

3.2.1 运行工况

3.2.2 数据监测

3.3.1 换气次数

3.3.2 风压分布

3.3.3 风速分布

3.4 本章小结

4 捕风系统数值模拟研究

4.1.1 CFD技术及原理

4.1.2 CFD系列组成

4.2 模拟设定

4.2.1 模型及网格

4.2.2 湍流模型

4.2.3 边界条件

4.2.4 求解器

4.2.5 其他设定

4.3.1 换气次数验证

4.3.2 风道速度验证

4.3.3 风压系数预测

4.3.4 速度场分析

4.3.5 压力场分析

4.3.6 气流组织分析

4.4 本章小结

5 捕风器在夏热冬冷地区典型城市（杭州）适应性研究

5.1 杭州市气候特征

5.1.1 杭州地理及气候概况

5.1.2 杭州过渡季节气象分析

5.2 留博楼既有通风效果

5.1.2 北风下的既有通风

5.1.3 东风下的既有通风

5.3.1 两种捕风器形式的确定

5.3.2 换气次数对比

5.3.3 水平方向各房间风场对比

5.3.4 竖直方向各房间风场对比

5.4 本章小结

6 结论和展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 学位论文数据集

致谢