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廣州周大福金融中心(東塔)幕墻流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

來源:2020論文集  作者:陳湛二  日期:2020-11-23
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    摘要:本論文主要對(duì)廣州東塔項(xiàng)目塔樓幕墻的舒適度、開啟門和格柵的通風(fēng)量及鋁裝飾條和陶土板裝飾條的局部風(fēng)壓進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬計(jì)算分析,對(duì)一些復(fù)雜幕墻的研究提供不同的分析思路。
    關(guān)鍵詞:CFD;舒適度;通風(fēng);風(fēng)壓

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  摘要:本論文主要對(duì)廣州東塔項(xiàng)目塔樓(詞條“塔樓”由行業(yè)大百科提供)幕墻的舒適度、開啟格柵(詞條“格柵”由行業(yè)大百科提供)的通風(fēng)量及裝飾條陶土板裝飾條的局部風(fēng)壓進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬計(jì)算分析,對(duì)一些復(fù)雜幕墻的研究提供不同的分析思路。

  關(guān)鍵詞:CFD;舒適度;通風(fēng);風(fēng)壓

  1.工程概況

  廣州東塔西臨珠江大道,北望花城大道,與對(duì)面的西塔一起形成雙塔,分別位于新城市中軸線兩側(cè),南面隔江對(duì)望新建的廣州電視塔,北面天河體育中心,中信大廈及廣州火車東站。本項(xiàng)目占地26,452平方米,地上建筑總面積為404,802平方米。建筑屋頂標(biāo)高為530米,結(jié)構(gòu)屋面標(biāo)高518米,地上112層,集辦公、服務(wù)公寓、酒店、餐廳于一體的塔樓。

  項(xiàng)目幕墻類型主要分為六個(gè)系統(tǒng),A系統(tǒng)是本工程的代表性系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括鋁合金裝飾條,陶土板裝飾條、鋁格柵與可開啟通風(fēng)門系統(tǒng),本文主要對(duì)系統(tǒng)A使用流體動(dòng)力學(xué)軟件(CFD)進(jìn)行模擬計(jì)算,并結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果對(duì)影響幕墻舒適度,格柵開啟門通風(fēng)及裝飾條局部風(fēng)壓等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

  2.塔樓幕墻舒適度計(jì)算分析

  2.1 計(jì)算說明

  根據(jù)國家規(guī)范《民用建筑熱工(詞條“熱工”由行業(yè)大百科提供)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:廣州冬季室外風(fēng)速取V=2.2m/s。

  考慮廣州地區(qū)的西曬立面舒適度較低,可假設(shè)如下兩種標(biāo)準(zhǔn)氣候條件:項(xiàng)目周圍的風(fēng)速取2.2m/s和5m/s兩種情況;本文按通風(fēng)及不可通風(fēng)兩種狀態(tài)對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。計(jì)算條件如下:

表1計(jì)算條件

序號(hào)

狀態(tài)

時(shí)間

立面

室外風(fēng)速(m/s

幕墻面承受

的風(fēng)作用壓強(qiáng)(Pa)

室外溫度

()

1

通風(fēng)

2~3月、10~1 15號(hào)下午1點(diǎn)鐘

西

2.2

5

3.03

15.6

16

2

非通風(fēng)

4~9

15號(hào)下午1點(diǎn)鐘

西

——

——

31.1

  2.2通風(fēng)狀態(tài)(風(fēng)速2.2m/s)

  選取幕墻一個(gè)通風(fēng)單元作為分析對(duì)象,橫向左右玻璃寬度取700mm,豎向取一個(gè)樓層透光高度2950mm。開啟門完全開啟狀態(tài),室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s,室外溫度取16度,室內(nèi)溫度取26度。

  模型長約6米,寬約1.6米,高約2.95米,此尺寸三維空間模型可認(rèn)為滿足本文流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的需要。輻射(詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供)強(qiáng)度經(jīng)FLUENT軟件自動(dòng)計(jì)算,模擬結(jié)果如下:從下圖速度矢量等值3D云圖可知,以開啟門位置為基線,空氣以W字形向兩側(cè)展開擾動(dòng),靠近開啟門的空氣湍流最為劇烈,距離開啟門約900mm位置的空氣擾動(dòng)逐步增強(qiáng),有著明顯的波形擾動(dòng)范圍。再對(duì)速度矢量等值2D切片云圖的A、B、C、D、E、F六個(gè)速度矢量點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析:

  A點(diǎn):室外區(qū)域距離開啟門約1500mm區(qū)域,空氣流速約為1.0m/s。此區(qū)域的空氣在開啟門完全打開狀態(tài)下,形成漩渦狀擾動(dòng)。

  B點(diǎn):室外區(qū)域距離格柵約50mm區(qū)域范圍,空氣流速約為1.6m/s?諝饨(jīng)過鋁裝飾條與陶土板裝飾條后,速度逐漸提高,穿過格柵間的縫隙后,流速提升到2.1m/s左右,此區(qū)域的空氣湍流運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)。

  C點(diǎn):開啟門入口最狹窄位置的空氣流速達(dá)到最大值:約3.1m/s;在雨季時(shí)期,雨水在空氣壓強(qiáng)作用下會(huì)飄進(jìn)室內(nèi),因此在風(fēng)雨季節(jié)應(yīng)注意關(guān)閉開啟門。

  D點(diǎn):室內(nèi)區(qū)域距離開啟門約650mm區(qū)域,空氣流速約為2.2m/S。此區(qū)域范圍內(nèi)空氣流速較大,辦公設(shè)施(如打印機(jī)等)應(yīng)避免在此區(qū)域內(nèi)布置。

  E點(diǎn):室內(nèi)區(qū)域距離開啟門約1500mm區(qū)域,空氣流速約為0.8m/S?諝饬魉僦饾u降低,湍流運(yùn)動(dòng)趨于平緩,但還應(yīng)避免放置一些容易被吹浮的物體,如紙張等。

  F點(diǎn):室內(nèi)區(qū)域距離開啟門約2400mm區(qū)域,空氣流速已降低到0.15m/s以下。此區(qū)域的空氣流速已經(jīng)降低到人體幾無察覺的狀態(tài),辦公設(shè)施不會(huì)受到進(jìn)入室內(nèi)空氣的影響。

  在可通風(fēng)狀態(tài),室外溫度取16度,室內(nèi)溫度取26度的條件下,室外冷空氣穿過格柵,經(jīng)過開啟門進(jìn)入室內(nèi)。室內(nèi)距離開啟門1000mm的A點(diǎn),溫度約為21度;室內(nèi)距離開啟門2800mm的B點(diǎn)位置范圍內(nèi),溫度約為22度;室內(nèi)距離開啟門3000mm的C點(diǎn)位置范圍以外,溫度約為23度。

  春、秋及冬季時(shí)節(jié),室外冷空氣進(jìn)入室內(nèi)不僅可以有效地提升室內(nèi)空氣質(zhì)量,同時(shí)會(huì)有助于降低室內(nèi)溫度,提高室內(nèi)的舒適度。

  2.2通風(fēng)狀態(tài)(5m/s)

  假設(shè)室外風(fēng)速達(dá)到5m/s的時(shí)候,開啟門完全打開狀態(tài)的空氣流動(dòng)狀態(tài)見下圖:此時(shí)空氣的擾動(dòng)比風(fēng)速在2.2m/s的條件下有所加強(qiáng),室內(nèi)區(qū)域距離開啟門1500mm位置范圍的空氣流速達(dá)到了2.5m/s,人體會(huì)明顯受到空氣流動(dòng)的影響。

  室外冷空氣進(jìn)入室內(nèi)的范圍有了增大,但其影響的較大范圍只限于室內(nèi)距離幕墻面的2500mm區(qū)域內(nèi)。選取幕墻一個(gè)通風(fēng)單元作為分析對(duì)象,橫向左右玻璃寬度分別取700mm,豎向取一個(gè)樓層透光高度2950mm。開啟門完全關(guān)閉狀態(tài)。

  假設(shè)開啟門完全關(guān)閉狀態(tài),太陽輻射強(qiáng)度經(jīng)FLUENT軟件自動(dòng)計(jì)算。從下圖可知,幕墻面兩側(cè)的溫度分布較為均勻。由于中空玻璃的LOW-E膜反射了絕大部分紅外輻射,從而減少了吸收和再次輻射,故室外幕墻玻璃面溫度處于50~60度的范圍。另外由于受室外空氣的擾動(dòng)及對(duì)流作用,靠近室外玻璃面的空氣溫度也比室內(nèi)空氣的溫度要高。

  從上圖可知,室內(nèi)距離玻璃幕墻面3米空間內(nèi)總共有五層明顯的空氣溫度層:

  第一層:450mm范圍內(nèi),約為39度;

  第二層:1500mm范圍內(nèi),約為37度;

  第三層:2100mm范圍內(nèi),約為34度;

  第四層:2500mm范圍內(nèi),約為32度。

  第五層:3000mm范圍內(nèi),約為27度。

  另外由于熱傳導(dǎo)作用,鋁型材區(qū)域溫度較高,約達(dá)到了44度。

  上圖可知,在開啟門的關(guān)閉狀態(tài)下,中空LOW-E玻璃的U值為1.68 W/m2·K,與廠家提供的玻璃熱工參數(shù)相近。

表2 玻璃的光熱性能數(shù)據(jù)表

  結(jié)論:在春、秋及冬季的室外低風(fēng)速通風(fēng)條件下,室內(nèi)通風(fēng)及靠近玻璃面的人體熱感度等均獲得較好結(jié)果;但應(yīng)避免在室外高風(fēng)速條件下完全打開開啟門,以避免影響到室內(nèi)辦公人員及辦公設(shè)備。在夏季非通風(fēng)條件下,靠近室內(nèi)幕墻面2米范圍內(nèi)的空氣溫度分層范圍較為均勻;靠近室內(nèi)幕墻面0.5米的范圍內(nèi),空氣溫度較高,但還是能夠控制在人體不適感強(qiáng)度之內(nèi)。

  作者單位:廣州凝龍工程技術(shù)咨詢有限公司

  幕墻通風(fēng)主要依靠開啟門的開啟與關(guān)閉進(jìn)行控制。開啟門開啟寬度的大小與開啟門外側(cè)的鋁格柵條間距大小都會(huì)直接影響到幕墻的通風(fēng)量。格柵總開口寬度為150mm,高度為2950mm。豎向格柵條間距為28.5mm,水平方向加設(shè)三根鋁型材(詞條“型材”由行業(yè)大百科提供)副框。

  流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算條件,假設(shè)以下三種情況,對(duì)塔樓幕墻通風(fēng)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算分析:

  3.1有格柵, 開啟門在完全開啟狀態(tài)

  取幕墻一個(gè)通風(fēng)單元作為分析對(duì)象,橫向左右玻璃寬度分別取700mm,豎向取一個(gè)樓層透光高度2950mm。開啟門完全開啟狀態(tài),室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s。

  模型長約6米,寬約1.6米,高約3米,此尺寸三維空間模型可認(rèn)為滿足本案流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算的需要,如下圖:

  根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果可知,單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為:M1=0.454kg/s。

  3.2有格柵, 開啟門在60度開啟狀態(tài)

  開啟門60度開啟狀態(tài),室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s。

  根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果可知,單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為:M2=0.38kg/s。

  3.3無格柵, 開啟門在完全開啟狀態(tài)

  無格柵設(shè)置,開啟門完全開啟狀態(tài),室外空氣流速假設(shè)為2.2m/s。

  根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果可知,單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為:M3=0.534kg/s。

  針對(duì)以上三種狀態(tài)進(jìn)行理論計(jì)算分析:

  有格柵, 開啟門在完全開啟狀態(tài), 通風(fēng)面積A1=2950mm×83.6mm;

  有格柵, 開啟門在60度開啟狀態(tài), 通風(fēng)面積A2=2950mm×49mm;

  無格柵, 開啟門在完全開啟狀態(tài), 通風(fēng)面積A3=2950mm×83.6mm;

  3.4有格柵, 開啟門在完全開啟狀態(tài)

  格柵入口的總開口凈寬度b1=19.5×2+28.5×2=96mm, 開啟門入風(fēng)口的寬度b2=83.6mm, 因b1>b2,故通風(fēng)面積取最小值(忽略水平方向的格柵加強(qiáng)鋁型材副框面積),A1=2950mm×83.6mm. (如下圖:)

  單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為:M1’=V×A1×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665kg/s。

  3.5有格柵, 開啟門在60度開啟狀態(tài)

  格柵入口的總開口寬度b1=96mm, 開啟門入風(fēng)口的寬度b2=49mm,因b1>b2, 故通風(fēng)面積取最小值(忽略水平方向的格柵加強(qiáng)鋁型材副框),即A2=2950mm×49mm。

  單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為:M2’=V×A2×r=2.2×2.95×0.049×1.225=0.39kg/s。

  3.6無格柵, 開啟門在完全開啟狀態(tài);

  通風(fēng)面積A3=2950mm×83.6mm(忽略水平方向的格柵加強(qiáng)鋁型材副框)。

  單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為:M3’=V×A3×r=2.2×2.95×0.0836×1.225=0.665 kg/s。

  3.7流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

  由上圖可知,流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的空氣流量值比理論計(jì)算的結(jié)果要小,主要原因是幕墻格柵及開啟門等構(gòu)件損耗了空氣流通的能量。

  在AB~A’B’區(qū)段,幕墻設(shè)置有格柵,從完全開啟狀態(tài)到60度開啟狀態(tài)范圍。經(jīng)過格柵及開啟門的空氣流動(dòng)路徑受到鋁型材及膠條等幕墻構(gòu)件的影響而發(fā)生改變,空氣的流動(dòng)能量有所損耗。實(shí)際計(jì)算出來的通風(fēng)量約為理論計(jì)算結(jié)果的68%。

  在B、B’點(diǎn)位置,幕墻設(shè)置有格柵,開啟門約60度開啟狀態(tài)。流體動(dòng)力學(xué)與理論計(jì)算的通風(fēng)量結(jié)果相比差別不大,主要原因是由于開啟門開啟寬度較小,從室外到室內(nèi)的空氣通風(fēng)路徑是漏斗狀,空氣經(jīng)過壓縮后,其能量雖有所損失,但損耗量不大。

  在C、C’點(diǎn)位置,幕墻無設(shè)置格柵,完全開啟狀態(tài)。由于沒有設(shè)置格柵,因此C’點(diǎn)的空氣流動(dòng)比A’點(diǎn)受到的影響較小,能量損耗也相對(duì)較少。

  3.8有格柵與無格柵的通風(fēng)比較

表3結(jié)果對(duì)比表

通風(fēng)計(jì)算結(jié)果比較

流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

有格柵, 完全開啟狀態(tài)(KG/S

無格柵, 完全開啟狀態(tài)(KG/S

有格柵設(shè)置與無格柵

設(shè)置比率(%

0.454

0.534

85%

  由上表可知,開啟門在完全開啟狀態(tài)下,設(shè)置格柵后的幕墻通風(fēng)量約為沒有設(shè)置格柵的幕墻通風(fēng)量的85%。

  4.鋁裝飾條及陶土裝飾條局部風(fēng)壓計(jì)算分析

  塔樓幕墻鋁裝飾條及陶土板裝飾條分別外挑出幕墻面200mm和175mm,兩者布置的數(shù)量多,范圍廣,且形狀復(fù)雜,這些都增加了建筑幕墻局部體型系數(shù)的復(fù)雜程度。在極端的天氣條件下,鋁扣板(詞條“鋁扣板”由行業(yè)大百科提供)、鋁裝飾條和陶土板的局部風(fēng)壓會(huì)因空氣湍流擾動(dòng)的作用而有所增大。本文主要對(duì)上述三者承受外側(cè)面的局部風(fēng)壓進(jìn)行模擬計(jì)算,以分析極端天氣氣候?qū)植繀^(qū)域的不利影響。按照幕墻方案對(duì)鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板進(jìn)行實(shí)體建模。整個(gè)計(jì)算流域范圍為寬3000 mm, 高4500mm, 長5770mm的空間區(qū)域, 認(rèn)為這個(gè)區(qū)域已經(jīng)能夠模擬到了鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板的局部風(fēng)壓,如下圖。

  由于鋁裝飾條及陶土板形狀比較復(fù)雜,因此在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)兩者的計(jì)算區(qū)域采用了加密的網(wǎng)格形式, 網(wǎng)格尺寸由內(nèi)往外逐漸增大,總計(jì)產(chǎn)生約109萬左右個(gè)體網(wǎng)格。邊界條件設(shè)置:進(jìn)流面選用壓強(qiáng)入口(pressure inlet), 空氣流速約為49m/s;出流面采用壓強(qiáng)出口(pressure-outlet),大氣面采用對(duì)稱邊界(Symmetry);采用3D單精度,分離式求解器,空氣模型選用了理想氣體模型(ideal gas),對(duì)流項(xiàng)的離散采用了二階迎風(fēng)格式,速度壓力耦合采用了SIMPLEC算法。

  鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板裝飾條側(cè)面代號(hào)示意圖如下:

  鋁扣板、鋁裝飾條及陶土板承受的風(fēng)荷載計(jì)算原理如下:

  根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,由于第一個(gè)鋁扣蓋、鋁裝飾條及陶土板模型位于進(jìn)風(fēng)入口前面,空氣擾動(dòng)激烈,此模型受到的局部風(fēng)荷載較大,特別是較短鋁扣蓋的外側(cè)面,鋁裝飾條靠近格柵入口的外側(cè)面及陶土板迎風(fēng)面外側(cè)的風(fēng)荷載數(shù)值比其他位置均高,說明此區(qū)域可能會(huì)受到由于局部體型系數(shù)的變化而引起風(fēng)荷載的不利作用,因此應(yīng)對(duì)以上位置做特殊處理。

  模擬計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果:鋁型材板的根部加厚至4mm,根至端逐漸變薄至3mm的設(shè)計(jì),以提升材料的利用率;鋁裝飾條與陶土板裝飾條均是開模加工制作,兩者的剛度(詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供)與強(qiáng)度均能夠滿足要求。

  參考文獻(xiàn)

  [1]《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-93。

  [2]《采暖(詞條“采暖”由行業(yè)大百科提供)通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50019-2003。

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廣州東塔(廣州周大福金融中心)
  地上樓層111層;建筑面積約37萬平方米,占地面積約2.6萬平方米。塔頂采取“之”字形的退臺(tái)設(shè)計(jì),在不同樓層之間形成空中花園。廣州東塔(Guangzhou East Tower)亦稱周大福中心(C

  [3]《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程JGJ113-2003。

  [4]《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T18883-2002。

  [5]《計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析》王福軍編著。

作者單位:廣州凝龍工程技術(shù)咨詢有限公司

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