随着人们生活水平的提高，采暖空调设备应用日益广泛，建筑能耗占国民经济总能耗的比例越来越大．在建筑节能中，正确地理解建筑物围护结构的热物理特性，合理地选择围护结构，准确地计算围护结构负荷是建筑节能的重要部分…．只有准确了解建筑围护结构内外表面的对流换热系数才能准确预测建筑物空调的负荷．实测研究表明，夏季白天水泥路面的最高温度比草地高近20℃，油毡屋顶要高出32℃之多旧J．表面温度的升高促使更多的热量以对流的方式传递到大气中，从而提高了城市温度．近年来国内外相继开始尝试利用屋顶绿化等方式缓解热岛效应，但毫无疑问，在可预计的将来，建筑外表面的对流换热依然是构成城市热气候的最重要因素之一，也是城市高温化和热岛效应的主要形成原因．而热岛效应又导致了城市空调用电量的增加，加剧了城市的建筑能耗。
综上所述，系统研究建筑外表面对流换热特性对研究城市热岛的成因、建筑节能、城市环境及城市边界层的气象具有重要意义．但从研究现状看，由于建筑物外表面与大气之间的对流换热受室外波动的风速、温度、建筑尺寸及布局等众多因素的影响，现场实测十分困难且精度难以保证，导致国内外可靠的实测数据严重缺乏，从而影响了对该问题的深入研究．近年来，CFD正逐渐发展成为研究流体运动和热力结构的重要手段．文中利用得到验证的CFD计算模型进行模拟仿真，研究不同建筑工况及气象条件下建筑外表面对流换热系数的分布规律．模拟与现场实测的对比针对城市风环境和热气候的具体流体问题，影响模拟结果的一个关键因素是湍流模型的选择．研究表明，在工程领域应用最广泛的标准k-占模型在求解建筑物迎风侧角部附近湍流动能时存在着对湍动动能生产项计算过大的缺点，在面对城市气候问题的求解时也会产生较大的误差【3]．因此文中采用标准模型的改良版LK(Lauder—Kato)模型对计算区域进行模拟计算，可以较好地解决上述问题【4引．为了保证模拟结果的正确性，文中首先利用模拟得到建筑楼顶水平表面平均对流换热系数，与利用萘升华法实测所得到的建筑楼顶水平表面平均对流换热系数进行比较．关于萘升华实测方法的开发，以及实测的详细介绍可见文献[6．9]．文中利用软件进行CFD模拟．外表面对流换热系数利用自带的壁面函数法进行计算，通过固定建筑墙体内表面的温度，实现建筑外表面对流换热、辐射换热、墙体导热以及太阳辐射换热的耦合计算．对比验证中，Fluent模拟中的物理模型是按萘升华法实测所在建筑的实际模型建立的，外形和尺寸如图l所示．图1物理模型(单位：
．1 Physical model(unit：
计算域的入口和出口边界分别被定义为速度入口和出流，两个侧面及顶面均被定义为对称边界面．壁面定义为无滑移壁面，近壁区域参数采用标准壁面函数进行计算．来流风速大小按指数为0．14的幂函数形式定义，其数学关系如式(1)所示．入口边界面的湍流动能I|}和湍流耗散率占分别用式(2)和式进行计算‘10J：
， ． 、o．副耐(乏．占：譬占=—≯ (3) L，，式中：t，为入口速度，m／s；z为竖直高度，m；Z耐为风速参考点的高度，取10m；v耐为参考点的风速，m／s；，c。为常数，分别取0．4和0．09．研究中的计算重点在建筑外表面附近，故如图所示，建模时对建筑外表面附近区域的网格进行了更细密的划分．利用萘升华法对建筑楼顶水平表面进行实测所得平均对流换热系数h。与风速的线性拟合关系及图2建筑附近区域网格的划分．利用CFD技术对建筑楼顶水平表面进行模拟所得平均对流换热系数h。与风速的线性拟合关系如图所示，其中风速均为离楼顶表面1．5 m高参考点的风速值，从中可分别得到建筑楼顶水平表面平均对流换热系数的统计公式，如式(4)、(5)所示。由式(4)和式(5)对比可以看出，在误差范围内，Fluent的模拟结果与萘升华法的实测结果相吻合．与Fluent模拟相比，在利用萘升华法进行实测的过程中，带入的实测误差以及实际建筑表面不可能完全光滑等因素降低了实测数据的线性相关性．2 CFD模拟对象及设定条件由于建筑附近风速和风向受建筑密度和建筑高度影响很大，本研究分别针对理想情况下的单体建筑和建筑群，分析不受建筑影响的边界层顶部主流风速和风向、城市建筑密度及建筑高度等因素对建筑外表面对流换热的影响．单体建筑模型为边长20 m的正立方体．建筑群的物理模型如图4所示，每一建筑的长度(x轴方向)均为20m，宽度(y轴方向)均为．根据模拟工况设置的不同，建筑F的高度分别被设置成20m和60m，其他建筑高度均为20m，而建筑之间的间距则分别被设置成15 m和10m．文中共对5种典型的建筑群工况进行了模拟，具体设定如表1所示．图4建筑群的物理模型．表1建筑群模拟工况的分布与对比验证相同，在边界条件设置时，入El面设置为速度人口，出口面设置为出流，侧面和顶面设置为对称面．对建筑墙体壁面，均把建筑墙体内表面的温度设置为定温边界27℃．远处来流风速大小按式进行计算，其中风速参考点高度z，，取10m，参考风速秽耐取5 m／s．采用LK模型对计算区域进行计算．模拟结果及分析．1 单体建筑的模拟结果对于单体建筑，风向p每变化15。时，单体建筑萝’争堇／(。
图5单体建筑外表面对流换热系数随风向的变化．5 Variation of convective heat—竖直外墙表面和水平楼顶表面平均对流换热系数的变化情况如图5所示．由图5可见，随着风向的变化，建筑外墙平均对流换热系数波动较大，在0为O。和90。时，外墙为迎风面，对流换热系数达到了峰值，在口为450和时，由于竖直的建筑边沿使来流自然分开，然后贴着两侧的表面流动，减少了对建筑迎风面的撞击以及建筑两侧的再附着，所以对流换热系数相对较小；时，由于来流对建筑表面的撞击越来越弱，对流换热系数值逐渐减小．建筑楼顶水平表面平均对流换热系数随风向的变化幅度较小，在日为、90。和180。时，楼顶表面对流换热系数最大，在为45。和135。时，由于建筑楼顶分离加剧，而再附着的面积减少，楼顶表面对流换热系数最小，但两者差值不超过10％．．2建筑群的模拟结果在表1所示模拟工况I的条件下，建筑外表面对流换热系数的分布如图6所示．图中每一矩形中间的数为相应建筑楼顶表面对流换热系数平均值，矩形四周的数为相应建筑墙体表面对流换热系数平均值．通过分析图6所示结果可见，每一建筑表面对对流换热系数均是楼顶表面最大，背风墙表面最小，侧墙表面和迎风墙表面几乎相等；沿着风向的方向轴方向)，建筑群中每一竖排建筑相应外表面对流换热系数均比前～竖排建筑要小，这种差别在前两竖排最大，在后几竖排逐渐缩小；在垂直风向方向，轴方向)，由建筑群中间横排往外相应建筑外表面的对流换热系数逐渐增大，这种增大的趋势沿着风向的方向逐渐变大．以模拟工况I下各相应建筑表面对流换热系数为基准，模拟工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V下相应建筑表面对流换热系数与其的比值分布如图7所示．通过对模拟工况I、Ⅱ及Ⅲ结果的对比分析可得出，来流风向的改变导致了建筑群中风速流场的改变，最终致使建筑群中每一建筑表面对流换热系数均有不同程度的改变，随着风向的改变，当某一建筑表面附近的风速流场受其它建筑遮挡影响变大时，会导致这一表面对流换热系数的降低；当受到的遮挡影响变小时，相应表面的对流换热系数就会增大；受到的遮挡影响变化越大，相应表面对流换热系数的改变也越大．通过对模拟工况I和Ⅳ结果的对比分析可得出，建筑之间的间距越大，即建筑密度越小，建筑表面对流换热系数也越大．通过对模拟工况I和V结果的对比分析可得出，当建筑F变成高层建筑时，建筑F各个外表面的对流换热系数均增大，其中背对建筑群的表面朝南面)增大幅度最大，其次为面对建筑群的表面即朝北面)和迎风面(即朝西面)，增大幅度最小的为背风面(即朝东面)；除此以外，高层建筑F还会使附近其它建筑表面的对流换热系数增大，且相对应的建筑表面离高层建筑F越近，它的对流换热系数增大幅度越大．结论文中首先对萘升华法实测的建筑楼顶水平表面对流换热系数与CFD模拟结果进行对比验证，结果表明，CFD模拟完全可以用于建筑外表面的对流换热系数的模拟；然后分别对单一建筑和5种建筑群的外表面对流换热系数进行了模拟计算，得到以下结论：
每一单体建筑表面对流换热系数均是楼顶表面最大，背风墙表面最小，侧墙表面和迎风墙表面几乎相等．建筑之间的间距越大，即建筑密度越小，建筑表面对流换热系数也越大；另外，高层建筑会使本身及其附近建筑外表面对流换热系数增大．对于存在建筑群相互遮挡的情况，风向的改变会导致建筑外表面对流换热系数的变化；综上，建筑外表面对流换热系数与风速、风向、建筑密度及建筑高度有关，是一个随室外环境变化的动态参数，用一个简化的固定值来表示，必然使其与实际结果有较大的偏差．
