英语原文共 13 页
孔洞分离对风力驱动的单侧自然通风的
N.C.Daish，G.Carrilho da Gra，P.F.Linden，D.Bank
摘要：本文介绍了水平孔洞分离对具有两个孔(SS2)的单侧通风流的影响。该研究基于风洞测量和尺寸分析,结果表 明,SS2通风流量与进入的风速和孔径面积成比例,取决于相对于孔径立面的进入风角theta;,以及通过建筑物宽度s #39; 缩放的孔洞分离。对于大多数风角,通风流量随着s的平方根而增加。这项研究还确定了一种新颖的流动驱动机制——涡旋脱落：当通风口位于建筑物的背风侧并且风几乎正面时，流动由涡旋脱落造成的泵送机构驱。
关键词：风力驱动 自然通风 单侧 风洞
- 介绍
从业主或占用者的较低运行成本和基于化石燃料的能源发电的污染物和温室气体的排放减少的角度来看，减少建筑物中的能量使用是期望的目标。自然通风可以成为空间调节（冷却和通风）的重要潜在节能源，特别是在商业建筑领域，无论是单独使用还是在混合方法中辅以机械调节。
在自然通风中利用的主要因素是双重的：风，影响建筑物外部的开口，由内部显热增加引起的外部和内部之间的温差。在典型的自然通风配置中，一个或多个打开的窗户使内部空间通风。两个开口的情况是最简单的多开口情况，并且根据相对开口位置导致四种可能的空气流动状：
- 单侧通风，SS
- 角落通风，CR
- 交叉通风，CV
- 置换通风，DV
其中两个开口分别位于相同，相邻或相对的外立面或不同高度（Fig，1）。在前三种流动方案中，除非风力足够轻和/或温度差足够大，否则风力流动将占主导地位。 本文将重点讨论风力驱动的流动，因此，不会讨论位移通风或浮力与风之间的相互作用。
许多关于自然通风的研究都集中在交叉通风，因为它有可能实现大流量，最大限度地提高自由冷却能力[1-3]。不幸的是，很难实现CV的大冷却能力，因为在大多数情况下，高流量与完成任务不相容，并且可能导致吃水引起的不适（特别是在流动的喷射区域[4]）。此外，CV要求房间必须具有相对的外墙，这是建筑物周边的大多数房间不具有的特征。角落通风箱在特性上与交叉通风[5,6]非常相似，而且仅与相对较小比例的通道相关。另一方面，在许多周边空间中，SS系统可以提供更低，更易于管理的通风率，这是一个不错的选择。周边空间通常具有有限的房间深度，因此，对于一年中的至少某些部分，SS的较小冷却能力可能是足够的[7]。
单侧通风系统可分为两种类型：单开（SS1）和多开（SSn）。就单面通风的物理图片而言，在一个开口和一个以上的开口之间存在基本区别，因为在前一种情况下，进入的外部空气和被移除的内部空气必须都通过相同的开口，而在后一种情况下，入口和出口之间可以有更清晰的划分。这种差异意味着单开口的情况有限——它的通风能力有限，而在同一立面上有两个或多个开口的房间在许多情况下可以提供大量的新鲜空气。因此，SS1系统是小型设备的典型选择，而在立面的不同区域中具有多个开口的系统是大房间的选择。
SS1案例已经进行了大量研究[8-11]，并根据开口处的不稳定静压变化，沿建筑物外立面产生的增长剪切层或两者的组合进行了解释。最近，Ai和Mak [12]测量了边界层风洞中单室小型建筑物的瞬时流速，并得出结论，流体的流动部分对通风率贡献了15％至64％（取决于风向）。 Warren和Parkins [8]提出并验证了SS1通气率的简单评分。 这项先驱研究也是第一个解决窗口几何效应的研究之一。随后几位专家，包括Heiselberg[13]，Caciolo[14]和Wang[15]，已经研究过这一重要影响，在典型的小型风洞研究中难以精确建模。
另一方面，双孔单面壳体(SS2)可能是常见的实际情况，但在文献中没有很好地表现出来。Warren和Parkins [8]测量了在一个全尺寸建筑物的单个立面中由多个开口驱动的单侧通风，但该研究尚无定论且未产生模型。Costola et al. [16]表明沿着立面产生的风力压力变化可能对产生有用流量的潜力很大。 Teppner et al. [17]测试了一幢10层高的建筑物的3层楼(14米times;21米times;30米)，空气动力学风洞中的比例为1:25。该研究揭示了沿着该区域的显着压力变化Delta;p给定高度的外观:Delta;p/（1/2rho;U2） 其中U是接近速度尺度。Chu et al. [18]研究了一个在同一立面上有两个开口的小型单层建筑，并提出了一个简单的模型来预测通风流量。该研究使用了固定距离的开口，因此，所提出的模型不包括孔洞分离效应。该模型区分了入射风角theta;的两个范围，其中不同的机构驱动流动：对于22.5-45°范围内的风向，流动由两个开口之间的压力差驱动，而对于剩余的角度，流动是由压力波动和（对于90°风）的剪切驱动。
SS2流量主要是开口之间静态压力差异的结果：流量在较高压力的开口处发生，流量在较低压力的开口处发生。该压力差由外部流动驱动，并且包括稳定和不稳定部件的组合，其相对贡献主要取决于风角和孔洞分离。
湍流外部流动导致压力场不稳定，这意味着压力差随着时间的变化而变化。 如果频率足够低，这会导致对通风速率的贡献：如果压力差过快地波动，则在它能够与内部空气混合之前再次驱动流体进出。在所有情况下都存在不稳定的贡献，但是当平均压力差近似为零时尤其重要。当开口位于建筑物的背风侧时，发生这种不稳定贡献的一个极端但有趣的表现。在这种情况下，如3.1节所述，流动主要受与斯特劳哈涡旋脱落相关的低频周期效应驱动[19]。
本文的目的是更详细地研究SS2流中孔洞分离的影响，并结合使用风洞测量和尺寸分析来开发简单的公式，根据描述入风的基本参数来预测通风率和建筑物。这些公式应该足够简单，以便能够直接集成到简化的仿真工具中，例如Ener-gyPlus [20]。
本文的其余部分如下。第2节介绍了风洞实验装置。第3节概述了后续建模工作中使用的结果，即两个孔隙之间的压力差和相关的通风率e的特征，并通过两个开口处的驱动压力差推导出一个连接测量的通风率与其大小和特征的公式得出结论。然后，第4节通过提出一个简单的表达式，根据进风的特征和由建筑物外立面的特征长度按比例缩放的开口间距，提出驱动压力差的简单表达式，然后将其与先前的结果结合起来将通风率与描述设置的参数联系起来。因此，根据可用数据的类型，本文提供两种使用级别：当压力（差异）数据可用时，可以使用第3节中的结果；如果只知道基本设置参数，则第4节中的表述是合适的。后者提供了一种更容易获得的模型，但由于额外的假设，在某些情况下会增加不确定性。
- 风洞测量
本研究中使用的风洞位于美国科罗拉多州科林斯堡，由CPP Wind Engineering等运营。闭路边界层风洞具有3米times;2.7米工作的横截面。
测试装置包括两个矩形建筑模型，每个模型包含占据整个楼层的单个房间（Fig.2）。
建筑模型要么是孤立的，要么是2层楼的建筑，周围是一组类似的2层楼，代表着低密度的城市环境。建筑物以1:70的比例建模，并配备压力水龙头，示踪剂注入口和两个浓度接收器位置（Fig.3）。 为了模拟进入风向的变化，将模型放置在转盘上，并对一组等间隔的风向进行测量。
两种类型的运行结：
- 封闭的盒子运行，其中所有孔都被密封并且在建筑物周围测量表面压力。研究了17个风（0°，11.25°，22.5°，......，180°）。
- 通风运行，其中打开两个孔并测量表面压力和浓度衰减。 研究了九个风角(0, 22.5, 45, hellip;, 180)。
详细情况见表1。
对于每个建筑物配置和进入的风向，测试了两个开口间隔：宽（表示为“S1：S8”并且在图2中以红色标记）和窄（表示为“S3：S6”并且在Fig.2中以黄色标记）。
三个建筑配置，两个开放布置和一系列风向的组合导致总共 3times;2times;17=102个封闭箱体运行和3times;2times;9=54通风运行。隧道使用尖顶并在测试部分的前沿处跳闸以启动模拟大气边界层的开发。尖顶和测试建筑之间的长期开发区域填充了粗糙元素，其实验设置为开发适当的进风风格。这种设置创建了图4左侧所示的对数进风风景[21]，相似性要求符合EPA流体建模指南[22]和Cermak [23-25]。
时间分辨压力测量（以1000Hz采样）通过位于建筑物墙壁和建筑物开口周围的表面压力安装件获得。为了获得通风速率的估计，时间序列浓度数据（以250Hz采样）在安装在大约中间房间高度的接收器位置通过测试建筑物楼层收集（Fig.3）。该建筑物使用固定浓度的氮气中的乙烷气体进行粉碎，使用质量流量控制器混合。电磁阀用于通过地板中的端口控制示踪气体进入测试建筑物的流量。清洗建筑物预设时间足以使浓度达到接近稳定的状态。根据测试迭代，实现了2500ppm-5000ppm乙烷示踪剂的范围。Fig.4的右侧显示了其中一个测量值的浓度：浓度衰减率用于推断通气率。在填充阶段，浓度在两个测量点之间变化（当非浮力污染源活跃时），但是一旦去除源，则均匀性增加，导致衰变率之间的差异小于10％。大多数传入风向的两点。在特定的感兴趣的运行中进行流动可视化，其中使用药物矿物油和UV染料的混合物来为测试建筑物充电，然后移除烟雾棒，并且在从上方记录时允许建筑物自然通风，需要较低速度的隧道速度以允许摄像机捕获流动结构。
- SS2流量分析
本节详细分析了SS2流动，首先讨论了主要流动模式/驱动机制，然后分析了流入速率与入射风角的变化。本节最后给出了流量与压力之间关系的定量表达式。
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- SS2流模式综述
对这些（以及早期[5]）风洞实验中观测到的流量的分析揭示了由特定流动驱动机制主导的进入风角theta;的范围：
- 0-60°：与Strouhal频率（见下文）相比，几乎正面的风导致流动不稳定，并且通过每个开口流出的流量超过时间尺度，并且没有明显的周期性行为。
- 67.5°：对于这个角度，外部流体连接到建筑物外立面，通风由剪切驱动（类似于单开口流[10]）。
- 90-170°：由稳定的静压差驱动，主要通过下游开口。
- 175-180°：由Strouhal驱动的振荡“泵送”流动[19]涡旋脱落，具有明显的准周期行为。
Fig.5突出了三个重要的特殊情况。
- 当theta;=0时，风正面朝向包含开口的立面。在流动中，两个窗口之间快速交替。这是典型的风向高达90°左右。
- 当theta;=90°，进风与开口平行。流动主要通过下游孔，偶尔流入上游开口。这是典型的从大约90°到大约180°的风向，单向性对于中间角度变得更强但随后减小。
- 当theta;=180°况下，其中风正面朝向包含开口的正面，在流动中显示出明显的（准）周期性，其中流动花费相对较长的时期（与（a）相比）通过第一次进入一个开口然后另一个。 当风向接近180°时，也可能发生这种情况。
振荡的“泵送”流动机构是独特的，因为它显示出明显的准周期行为，这是在钝体背面涡旋脱落的特征。 这个通风流量以斯特劳哈尔频率f或周期T振荡，这个定义为：
hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;（1）
其中L是身体的特征长度尺度，U是速度尺度。St的值取决于雷诺数和体形系数，但通常在0.1-0.15范围内[25]。
Fig. 6 显示了一组抽水通风流的快照. 可视化视频中开口处出现烟雾的时间顺序表明平均周期为T = 3.3s，Strouhal数约为0.11(基于长度和速度等于建筑物宽度，WB，和建筑物高度的进入速度，Ua(HB)，这与其他研究一致[25]。对于接近180°的进入风角，即当风不完全垂直于迎风侧时，也可能发生泵送流动。
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- SS2流量变化率
传统上[8]，SS流率Q根据无量纲通风率Q0进行分析，定义方式为：
考虑一个例子的无量纲流量和压力的变化，即在隔离环境中的两层建筑物（图2（a））。Fig.7示出了（a）作为本研究中分析的两个开口间隔的入射风角theta;的函数的无量通风率Q#39;，（b）相应的平均压差系数Delta;Cp，(c)和非定常压力差系数sigma;Delta;Cp。
三个地块分析显示：
（ⅰ）Q#39;（a）和Delta;Cp（b）之间存在明显的相关性。当压差大小最大时发生最大流量，而当平均压差为零时发生最小流量。
（ⅱ）即使平均压差为零，在所有角度都存在非零通风率。除了静态平均压差Delta;Cp之外的其他影响对通风流量的影响，最小流量仍然是最大流量的30-40%。尽管平均压力差可以忽略不计，但是当风正面（theta;=0）时, 流量仍然很大。 因此，在这些条件下，非稳态效应必须是流量的主要贡献者。注意，不稳定部分对于背风位置是最弱的，即在建筑物尾迹中，并且在暴露于风的一侧经历最大程度的不稳定，最大值在theta;=0。
（ⅲ）显然，开口分离对流量有重要影响; 对于图中的情况，流速与孔径分离有近似线性的增加。对于两种分离，风角的一般趋势是相似的。
（ⅳ）最小流量发生在theta;=theta;0=67.5°，这个角度可能取决于建筑物的几何形状。注意，当theta;0ne;90°，当接近的风与有开口的立面平行时，有一个重要的通风流量。
请注意，不稳定压力是基于压力的标准偏差，通过定义，包括所有波动频率。如前所述，较高的频率对通风没有贡献，因此研究了应用于压力差的低通滤波器的影响，其中仅保留足够低的频率以允许流体明显地穿透到房间中。所选择的阈值频率fsigma;足够低，使得流体在一个周期内穿透至少等于
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