摘要：本文在充分搜集和整理华南地区夏季气象数据资料的基础上采用CFD大型通用有限元软件FLUENT对双层外呼吸式幕墙进行计算模拟，得到双层玻璃幕墙热通道内的速度场、压力场。在此基础上，计算出双层幕墙进出风口的空气流量、平均风速等物理量，准确的揭示了热通道内气体流动规律。
关键词：窄腔、外呼吸式幕墙、有限元、热气流流动规律
1.引言
呼吸式幕墙， 又称双层幕墙、双层通风幕墙、热通道幕墙等， 它由内、外两道幕墙组成， 内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间， 空气可以从下部进风口进入， 又从上部排风口离开这一空间， 这一空间经常处于空气流动状态， 热量在这一空间流动。呼吸式幕墙由内外两层玻璃幕墙组成， 与传统幕墙相比， 它的最大特点是在于双层玻璃结构及中间空气间层，冬季将进、出风口封闭起保温作用，并将外层玻璃表面承受太阳辐射热通过空气间层传递到室内起到增热作用，夏季将进、出风口开启，空气间层形成热通道，外层玻璃表温太阳热辐射在通道产生温差，造成热气流自然流动，带走部分热量，降低室内温度，节省能源，两者综合起来，双层通风幕墙节能效果是显著的。因此热通道幕墙又称为新型的节能幕墙。
2. 问题提出
我国是在2000年后才开始呼吸式幕墙的应用和研究，起步比较晚。尤其是针对华南地区气候条件下双层呼吸式幕墙的研究尚处于起步阶段，体现在双层玻璃幕墙气体通道内热气流流动的内在规律及参数的研究尚缺乏深入的研究。
通道内气体流动与幕墙的除热效率有着直接的关系。目前最新的研究技术主要采用有限元模拟计算的分析方法，目前的研究多针对模型的温度场进行研究，对于揭示空腔内气流运动的其他指标还缺乏深入的研究，另外对于模型边界条件的选取及参数的确定尚存在较多的问题，严重影响模拟结果的真实性。
3. 双层玻璃幕墙物理模型的建立
本课题小组以广东省中医院教学科研大楼双层玻璃幕墙为例，采用CFD通用软件FLUENT来对幕墙在夏季最热的气象条件下的运行情况采用有限单元法进行模拟计算。
3.1 基本假设
参照国内外在使用CFD技术模拟双层玻璃幕墙通风传热方面的经验，以及本幕墙系统的构造特点，我们作以下的基本假设：
（1）稳定的外界环境条件；
（2）热通道内的空气为不可压缩牛顿流体，并且满足Boussinesq假设；
（3）不考虑玻璃壁面蓄热。
3.2 数学模型
空腔内空气的自然对流是在重力场或其他力场的作用下由密度差引起的浮升力产生的，因此必须考虑动量方程中的体积力项 的影响，引入Boussinesq假设建立三维稳态方程组。
连续性方程：
式中 ——空气密度，是温度的函数， ；
u、v、w ——x、y和z方向的速度分量， ；
状态方程：
式中 ——压力，Pa；
——气体常数， ；
——空气温度，K。
动量方程和能量方程可以写成通用形式：
式中 ——通用变量；
——与 相对应的广义扩散系数；
——与 相对应的广义源项。
3.3 气象条件与物性参数
在充分搜集整理了华南地区全年气象资料的前提下，得出如下基础数据
参考气压取为标准大气压，101325 Pa；
空气比热1007 J/（kg*K）；
重力加速度g = 9.81 m/s2；
外层玻璃：传热系数5.7 W/（m2*K），吸收率0.59、反射率0.10、透射率0.31；
内层中空玻璃：传热系数1.8 W（/m2*K），吸收率0.49、反射率0.25、透射率0.26；
3.4 模型选择与边界条件
双层幕墙内的空气在吸收太阳辐射后，空气密度变小，从而产生热气流的流动，在不同的室外气温条件和太阳辐射照度下，流态可分成层流及紊流两种形式，其判别的依据是雷诺数（Re）。当Re < 2320时，属于层流流动；当Re > 4000时，属于紊流流动；当 2320 < Re < 4000时，热气流的流动处于临界状态，既可能是层流也可能是紊流流动，要结合实际情况判别。根据幕墙系统的尺寸和气象条件，在计算出相应的Re后作流态判别，夏季（热）两个系列工况里采用的是RNG 紊流模型。空气的密度变化采用Boussinesq假设，以准确模拟双层幕墙内因温差而产生的自然对流现象。
4. 窄腔外呼吸式玻璃幕墙气体通道内热气流流动内在规律研究
在建立模型、确定边界条件及计算方法之后，得到双层玻璃幕墙热通道内的速度场、压力场。在此基础上，可以计算出双层幕墙进出风口的空气流量、平均风速等物理量，能够准确的揭示热通道内气体流动规律。
通过对计算结果后处理的计算分析，本文将夏季最热条件下热通道内气体流动的模拟结果研究总结。主要包括：X方向和Z方向的中界面上的气压分布图、速度分布图，以及从进风口面上释放示踪粒子的气流轨迹图。
5.小结
从以温度显示的空气迹线图可以看出：空气从进风口进入热通道后，沿着温度较高的外层玻璃壁面快速爬升，在出风口的位置空气得到明显加热并排出，把热通道内得到的部分热量带走，这就是所谓的“烟囱效应”，也是双层幕墙系统夏季节能的基本原理。同时也可以看到，热通道内气流的流动相对而言比较平稳，平均速度在0.1～0.2 m/s，热通道内的压力变化也较小；除了在进风口附近有局部的回流区，气流都是直上直下的，这样就有利于热空气的快速排出，加快通风散热的速度。
本文以流体力学及连续介质动力学为基础采用有限单元法计算揭示了双层幕墙热气流流动规律，为幕墙结构设计及节能计算提供了理论依据。