双层玻璃幕墙自然对流换热的数值模拟

三、数值计算结果分析
　　取双层幕墙中层空间宽度50cm，高度3m，单位长度吸气、排气口面积A=0.15m2/m，单位长度铝制遮阳板面积Ablind=3m2。幕墙外壁为厚度15mm强化玻璃，表面换热系数αw＝8.233 W/m2•K；内壁为中空玻璃（两层玻璃，每层厚度6mm，空气夹层厚度10mm），表面换热系数αn＝20 W/m2•K。外界空气温度Tout＝30℃，室内气温Tin＝26℃，遮阳板吸收率αblind＝0.48，外层玻璃透过率τoutgl＝0.709，无风时风压力差Δpwind＝0Pa，太阳辐射强度取F0＝700W/m2。根据上述条件通过集总参数法算出空气腔底部空气速度为0.13m/s，压力取0.1MPa，并以此作为入口边界条件进行计算。

　　　　　　　　　　　　　　　　　图4  空气腔出口的温度分布
　　（1）图4给出了0.5m中层空间、遮阳板位于空腔中间的出口温度分布。从图中可以看出，沿水平方向，温度上升两次：第一次是因为外层玻璃吸收了部分太阳辐射能，以此作为内热源不断地给玻璃加热，使外层玻璃的温度沿水平方向逐渐上升；第二次因为遮阳板外表面吸收了约35%的太阳辐射能，所以在遮阳板外表面温度迅速上升，它是整个中层空间温度最高的部分，最高温度为96.2℃。而铝制遮阳板导热系数比较大，加上厚度较小，因此遮阳板中温度变化很小，基本保持不变，如图中最高的水平线所示。此外，在外层玻璃内表面和遮阳板两侧的空气温度梯度比较大，尤其在遮阳板表面，在一个很小薄层内，温度由最大值迅速降至30℃的来流温度，这一薄层就是热附面层。附面层外，空气温度接近来流温度，基本保持不变，空气腔内的对流换热主要集中在外层玻璃和遮阳板处。

　　　　　　　　　　　　　　　　　图5  空气腔出口的速度分布
　　（2）图5给出了双层幕墙内出口剖面速度分布。可以看出，空腔内速度的上升与这一区域的温度有关，在外壁和遮阳板周围，空气温度比较高，相应的密度就低，此时浮升力也越大，浮力是推动空气向上流动的重要动力，因此空气的流速就高。在玻璃和遮阳板周围的很小薄层内，空气的速度梯度比较大，这一薄层就使速度附面层。在速度附面层内，由于遮阳板外侧空气温度高于内侧空气温度，故外侧速度高于内侧速度。

　　　　　　　　　　　　图6  遮阳板位于不同位置的y方向温度分布
　　（3）图6给出了0.5m中层空间，遮阳板在不同位置的y方向温度的分布。Tm为某一高度空气数值计算温度的平均值。由图可见，空腔内空气温度随高度的上升，增加了它与室外温度的差值，也就增加了它向室内和外界环境的散热量，从而限制了空腔内温度的上升速率。同时正是由于上下的温差造成密度变化，使空气产生自然流动的。同时还可以看出，遮阳板越靠近外层玻璃，空腔内的温度越高，散热效果也会越明显。

　　（4）图7和图8给出了遮阳板位于空气腔中间时，1m、2m、3m高度处剖面的温度分布。可以看出，在热附面层内，随着高度的增加，空气的温度也增加了，这是由于遮阳板表面吸收的太阳辐射能而不断地给空气加热。

　　　　　　　　　　　　图7  空气腔中间不同高度剖面的温度分布

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8  顶端局部放大

四、结论
　　（1）从数值分析的结果可以看出，双重玻璃幕墙的散热效果与遮阳板的位置有一定关系，遮阳板越靠近外层玻璃，其散热效果越明显，其结构也越合理。

　　（2）双层幕墙空气腔内温度分布均匀，在外侧玻璃和遮阳板面处形成明显的温度梯度，说明通道的对流换热主要集中在外侧玻璃面和遮阳板面。

　　（3）正是由于空腔内空气的温度随高度升高，造成空气密度变小，空气自然上升，形成自然对流换热，并带走通道中的热量。

参考文献：

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