模拟庭院温度场

庭院的门看做庭院内气流运动的送风口。常 H） 见的门的形式有两种： 一种是居中一个大门 （或内院 门） ； 另一种情况是在多进式庭院中， 有些内院门采 用中间一个大门， 两侧 （或一侧） 有两个 （或一个） 小 门。因为庭院门处的气流速度、 温度均大致相等， 进 入庭院后气流充分混合， 且为使模型更具代表性， 本 文在模型中全部简化为庭院只有一个居中的大门， 对第二类情况可按面积相等的原则， 将侧门合并至 大门中。 将庭院简化为标准长方体， 取庭院实际尺寸 K） 作为模型的计算区域。各个壁面看作均匀强度的平 确定； 将长波辐射 面热源， 逐时传热量可由文献 ［ !］ 散热量简化为高度为零的均匀强度平面负热源， 其 确定。 逐时散热量由文献 ［!］ HIK 确定计算参数 精确定义参数是计算成败的关键。经过多次调 查反复尝试， 针对庭院确定如下计算参数。 计算工质物性的确定 !） 取 ! L M!K N !MO "* 的空气物性作为计算工质物 性， 在 >$5*’& <22+’,42%) 对话框中输入 =*2%+’*-： *’+ *2 HMP ， ! L M!K N !MO "* 取计算地区常年计算季节 （冬或 <5,’%&2 Q%50： 夏） 的平均气温 （环境温度只是一个参考值， 对计算 结果无影响） 。 一般取送风和回风平均温度估计 6&’2’*- Q%50： 值作为全场初始温度， 可加快计算收敛速度。 为负值） R+*S’2/ ! ： T UIV! 5H W （方向朝下， ) （紊流） E-$B 2/0%： 24+,4-%&2 计算参数的确定 H） 在 ;’54-*2’$& $02’$&) *&: (#*&7% 对话框中输入 网络的划分 R+’: :’5%&)’$&) " >’5%&)’$&)： !X # >’5%&)’$&)： HD ! >’5%&)’$&)： KD 网络的划分过多导致计算时间过长且结果很难 收敛， 过少则反映不出模型特征。一般可取在 HM Y 同时考虑庭院的研究特点， 建议 ! 方向 KM 次左右， 网络可划分的密些。 （ $& 紊流模型的选取 Q4+,4-%&(% 5$:%： $% ! 两方 程模型） ； 迭代次数的选取 62%+*2’$& 3$： ! MMM； 松驰因子的选取 G%-*Z*2’$&： M L O。 在 ;%2 "#$%&’() *&: )’[% 对话框中， 依次写入送 K） 风口、 回风口及各个热源的位置和参数， 其余参数取 默认值。至此， 数值计算所有参数确定完毕。
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引
言
多的体现在对建筑形式以及建筑造型的研究，而对 凝聚着我国古代工匠智慧和经验结晶的良好的热工 性能，还未得到应有的研究和继承。已有的研究成 果多限于对它的定性分析和简单计算。文献［"］ 给出了庭院平面温度场的预测模型，而要完整地描 述庭院热环境，不仅需要知道在外界周期性热作用 下，庭院空气温度相应的变化规律，还需要了解整 个庭院内各点的空气温度具体分布情况。庭院内各 点由于受扰量干扰作用方式和大小均不尽相同，呈 现出三维特性。庭院内各点空气的运动是受到风压 和热压的共同作用造成的自然循环流动，空气的流 动直接影响着院内的温度分布情况，温度分布则通 过物性参数的变化而影响空气流动的速度分布，两 者互相耦合。因此，用传统的建筑热工手段，难以 精确模拟庭院的三维温度场，而 E/’4*295 软件可以 很好的解决这一问题。
收稿日期：!##PA""A!# 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （CDDBQ#PD） ， 长安大学青年科技发展基金 （#P#CA"##"） 作者简介：赵敬源 （"DB! R ） ， 女， 河南南阳人， 长安大学讲师， 博士研究生， 主要从事建筑环境与城市环境研究 :
万方数据
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长安大学学报 （建筑与环境科学版）
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"#$%&’() 软件的应用
采用 ;’50-%)2 算法 针对本课题， 在 "#$%&’() 软件中采用 ;’50-%)2 算 ［H］ 法进行计算， 该算法具有如下特点 ： 对流场采用迎风格式， 可将扩散项与对流项 !） 的影响系数分离开来， 离散方程对流项系数的表达 式可表征这一特点。 把邻点的影响系数表示成对流分量及扩散分 H） 量之和， 并把对流部分全部归入源项。因而当扩散 忽略不计时， 动量方程实际上采用 J*($,’ 点迭代求 解。因此， 在这种算法中， 扩散项采用线迭代而对流 项采用点迭代。虽然点迭代收敛速度较慢， 但由于 对流项与压力项之间的耦合关系， 这一特性可以防 止迭代发散， 因而对庭院多种多因素耦合作用下的 强烈非线性问题， 利用该算法可促进迭代过程的收 敛。 HIH 简化数值计算模型 为使数值计算模型具有更强的可操作性和更广 泛的适用性， 对数值计算模型作如下简化： 圆柱坐标 !） "#$%&’() 软件内置正交角坐标系、 系、 极坐标系和 ?E9 自适体坐标系， 共享版软件不 因此数值计算模型采用统一的正交 含 ?E9 坐标系， 万方数据 直角坐标系。
全球性的环境恶化和能源、资源危机已经越来 越引起全人类的普遍重视。建筑作为人类利用自 然、改造自然的一种重要社会活动，在建造和使用 过程中要消耗大量的常规能源。如何减少建筑能 耗，尤其是建筑使用阶段的能耗已经成为建筑从业 者的迫切任务。中国传统建筑是中华民族几千年文 明历史的宝贵遗产，庭院式民居作为其中的主体和 精华，经过许多中外学者的长期调查和研究，认为 它在选址、朝向、平面布局、空间组合等方面，处 处体现了人们适应自然、保护自然，以最简单灵巧 且经济的手段创造建筑环境的特点。 遗憾的是，由于民居研究的特殊性，而且大多 数民居目前仍处在使用阶段，对它的测试研究需要 得到方方面面的配合，因此，目前对庭院的研究较
62-’%&0’： E)’H2*0 +*> 9’*56)(962*0 6/4 )452>4*62+, +)4+ I/29/ 25 9’JH2*4> I26/ *+6()4 +*> K’5545545 0’’> 49’A ,’029+, K)’K4)67 25 +* ()04*6 6+5L -+92*0 (K 6’ 6/4 9’*56)(96’)5 : M6 25 34)7 *49455+)7 6’ 9+))72*0 + N(+*626+6234 +*+,A 6/4 +2) -24,> +*> 64JK4)+6()4 -24,> 7525 ’* 6)+>262’*+, >I4,,2*0 -)’J 6/4 J’>4)* 5924*62-29 324IK’2*6 : M* 6/4 K+K4)， ’- 6/4 *+6()+, 9’*34962’* ’- 6/4 7+)> I+5 52J(,+64> H7 +>’K62*0 E/’4*295 5’-6I+)4 : .’JK+)25’* ’- 6/4 52J(,+62’* 6/4 )454+)9/ 9’*9,(52’* 9+* H4 4+52,7 +*> 6/4 J4+5()4J4*6 >+6+ 5/’I5 6/4 J46/’> 25 K)+9629+, : O7 52J(,+62’*， 9/+*04> 6’ 6/4 9’*34*24*6 +*> )4-4)+H,4 >4520* >+6+， I/29/ 25 /4,K-(, 6’ >4520*4)5 : E/’4*295 5’-6I+)4； >I4,,2*0 I26/ 9’()67+)>； *(J4)29+, 52J(,+62’*； 64JK4)+6()4 -24,>； 9’JK+)25’* 7"1 5.%,-：
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长安大学学报 （建筑与环境科学版） （8)9/: ; <*32): =924*94 <>262’*） &’()*+, ’- ./+*0’ +* 1*234)5267
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［#］ 壁面的温度值由壁面温度周期解 和当日的实际气
为检验所建立的计算模型及其各项参数是否合 理， 选取典型的庭院算例作以模拟。计算实例为西 安市某处保存较为完整的民宅。此房是西安市易俗 社社长高培支先生旧居， 为西安市规划局、 文物局重 点保护的民宅， 为典型的关中二进式庭院， 窄门面， 大进深， 布局上分为前庭、 内院、 后院 ! 部分。整栋 ( 建筑的占地面积共为 !"# $ %& ’（考虑了外墙的厚 度） ， 有旧式楼 ! 间， 两坡房 ) 间， 厦房 #% 间。内院 的净平面尺寸为 ! $ *% ’ + * $ )& ’， 三间正房坐北朝 ， 厦房檐 南， 两侧各有两间单坡顶厦房 （高为 ! $ ! ’） 廊挑出 &"% ’’。整个内院通过院门与过厅、 前庭相 连， 地面为老式青砖铺地， 院墙为厚 (!% ’’ 老式青 砖砌筑， 室内表面为 #% ’’ 熟石灰沙浆抹面。内院 正门尺寸为 % $ ,* ’ + # $ -& ’， 旁有一侧门为 % $ -* ’ 周围无高层建 + # $ -& ’。此房位于西安城墙以内， 筑， 房前为小巷， 且紧挨的民房多已拆迁， 故无遮 挡物。 西安某大学建筑学院建筑技术研究所， 国家自 然科学基金资助项目— — —传统民居自然采暖与自然 空调效应的定量化研究的课题组人员于 #,,, 年 ,
第(期
赵敬源， 等： 用 21345670 软件模拟庭院温度场
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模拟与实测的对比分析
月 ) 日 . , 月 #% 日对该庭院的内院温度场作了连续 完整的测定。取 #,,, 年 , 月 * 日的西安市实际气 候参数和实测内院的实际几何尺寸作为计算条件。 将内院简化为标准长方体 （考虑了挑檐的尺寸） ， 取 其实际尺寸建立计算模型， 模型的边界条件即各个
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关于 "#$%&’() 软件
"#$%&’() 软件是目前国际上流行的大型商用计 算 流 体 力 学 和 计 算 传 热 学 软 件。 它 的 全 称 为 "*+*,$-’( ./0%+,$-’( $+ 1--’02’( 345%+’(*- 6&2%7+*8 2’$& 9$:% ;%+’%)。它由英国 9.<= 公司在 ;0*-:’&7 > ? 教授的带领下同许多人经过多年精心研制和开发 而推出的软件。此软件功能强大， 可用于求解零维、 一维、 二维和三维空间内可压缩或不可压缩， 单相或 多相流体的稳态或非稳态流动， 确定流体空间内的 质量、 动量、 热量、 浓度的传递与分布。目前被应用 在工程设备、 机械压力流、 核反应中的两相流动、 环 境保护中的大气湍流研究及生物工程等多个学科领 域。 "#$%&’() @$+ A’&:$B) 软件克服了早期 >C; 版本 操作命令复杂、 结果显示不 "#$%&’() 数据输入繁琐、 直观等缺点。新版 "#$%&’() @$+ A’&:$B) 共享软件由 还包括 演示、 讲解、 计算、 算例库 D 个基本模块组成， 了基于互联网络的在线帮助系统 "$-’) 模块， 它保留 ， 同时增加了 “模拟现实端 了老版本的 “ 9E> 引擎” 口” （ F’+24*-8G%*-’2/ E+$&2 1&:） ， 使数据输入和结果显 示更为简单直观。
用 E/’4*295 软件模拟庭院温度场
赵敬源， 黄 曼
B"##%"） （长安大学 建筑学院， 陕西 西安
摘 要： 探索和营造结合自然和具有良好生态循环的人居环境， 是目前建筑行业面临的迫切任务。 因此， 非常需要以现代科学技术的观点来定量研究优秀传统民居的建筑经验， 采用 E/’4*295 软件， 对 庭院内自然对流热过程中的空气流场和温度场的三维时空分布做了模拟分析。经过对所选实测对 象的典型个例模拟计算结果与测试结果的对比分析， 证明采用该研究方法研究庭院内热过程的基本 规律和温度的分层是基本可行的。通过计算程序的建立， 可以方便地将庭院的研究结论转化成简单 易用的设计资料， 使其更具有实用性和参考性。 庭院式民居； 数值模拟； 温度场； 对比 关键词： E/’4*295 软件； 文献标识码： 中图分类号： F1A#! 8