中華民國建築學會第十二屆建築研究成果發表會

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1 建築流場數值模擬之研究 (1) 貼體格點系統技術之運用 CFD Prediction on the Building Airflow Structure (I): Applications of Body-fitted Grid System Techniques. *1 周伯丞 *2 江哲銘 *3 蔡建雄 *4 李佳言 *1 林世峰 *3 吳賦斌 P.C. Chou, C.M. Chiang, C.H. Tsai, C.Y. Lee, S.F. Lin, F.B. Wu *1 樹德科技大學室內設計系 *2 國立成功大學建築學系 *3 屏東科技大學車輛工程學系 *4 大葉大學機械與自動化工程學系 摘要隨著近年來計算機效能的大幅提昇, 於現今國內建築設計規劃評估階段, 陸續應用 CFD 計算流體動力學技術, 進行室內外流場數值模擬, 藉以檢討建築造型與空間配置之合理性 由於獨棟建築造型多採用斜屋頂設計, 本研究採用非正交貼體格點方式, 針對建築中非垂直水平之量體, 探討數值模擬計算之準確性, 藉以運用在建築設計替選方案之評估上 本研究主要在比較不同格點系統與格點數量於數值計算之表現, 並透過小型風洞進行縮尺模型實驗, 取得實測數據資料進行比對 整體而言, 數值計算與實驗數值之平均誤差為 4 %, 而非數值計算與實驗數值之平均誤差則僅為 2 % 由實驗數據與數值計算數據所求得的垂直流場比對顯示: 非系統更能夠精確的反應建築流場結構, 尤其是外部風場與建築量體碰撞區的計算結果能更趨近小型風洞實驗結果, 亦佐證本研究所採用的 CFD 數值模擬, 可運用做為建築外部與室內流場之預測工具 關鍵詞 : 數值模擬 非正交貼體格點 空氣流場 ABSTRACT State of the art, more and more engineers and designers utilize the CFD mode to simulate the airflow structure in/around the building for the alternatives decision during the planning and design stage, because of the benefits of the prevalence of high-speed computing machines. Owing to that the single building was built as the gable shape, the non-perpendicularly body-fitted grid system was addressed to simulate the airflow structure around the building. The commercial CFD code named PHOENICS was adopted. The profiles of wind speed from scaled wind tunnel were measured for validation. Results showed that the airflow profile performed from the body-fitted grid system is more responded to the measured result than the profile from the perpendicular grid system. The proper grid nodes were also suggested. Key Words: Numerical Simulation, Non-perpendicularly Body-fitted Grid System, Airflow Structure

2 一 前言隨著球性工業發展, 建築節能與室內人員健康需求日增, 與環境因子相關的健康效應嚴然成為現代生活中的一大隱憂, 室內的環境一般與外部的不同, 稱之為室內氣候 (Indoor Climate); 現代人生活在密閉的室內空間之中的時間約佔每天的 90 %以上, 可是關於室內污染物往往都遭到忽略, 室內環境品質便產生嚴重問題, 直接影響人們的健康 隨著近年來計算機效能的大幅提昇, 將 CFD 計算流體力學技術應用於建築設計之案例, 逐漸增加 現今國內建築設計於數值模擬技術應用, 較多是採計算的方式, 本研究欲採用非之運算方式, 針對建築中非垂直水平之設計, 增加數值模擬計算之準確性, 可運用在建築設計替選方案之評估上 表 1 數值模擬之邊界條件設定值 背景環境初始設定 設定值 說明 壓力 1 atm 正常氣壓值 Inlet 風速 2 m/s Outlet 壓力 風速 0 Pa 0 m/s 縮尺風洞實驗室實驗而來 不考慮外界影響 每一格點進行疊代運算 通常於紊流度較高之區 域會增加格點數目, 且格點與格點間之差距不宜 過大, 最好以漸進式的方式較能充分表現出實際 的狀態 在格點系統差異上, 所呈現為 垂直水平之隔點系統 ; 非則會順著所建 構之模型曲度作變化, 其差異情形如圖 1 所示 二 研究方法本研究針對非正交數值計算之準確性於建築設計應用上, 透過風洞實測取得實測背景數據資料, 將實測數據與模擬數值比對分析, 以瞭解其主要差異及效能比對 ( 一 ) 數值模擬本研究亦採用 CFD 技術, 以 k ε 紊流模型作為室內流場計算基礎 本研究採用標準 k ε 紊流模型的連續 動量 溫度 濃度以及紊流尺度 k 與 ε 之平均統御方程式 在進行 CFD 數值解析之應用時, 首先必須針對各物件給定解析之設定值, 設定值之正確與將直接影響模擬結果, 本研究工作空間電腦模擬各物件設定值, 如表 1 所示 (1) 系統 ( 二 ) 格點系統 格點系統 是將所要計算的區域劃分成適 當的格點, 在每一格點內有一計算格點, 以針對 (2) 非系統 圖 1 不同格點系統比較圖 6-6-2

3 ( 三 ) 風洞實驗 表 2 縮尺模型屋實驗步驟說明表 利用小型風洞實驗, 瞭解氣流經過縮尺模型屋所產生之風速變化, 應用於 CFD 數值解析模擬不同角度之斜屋頂設定參數之依據, 使得 CFD 數值解析之結果數據與實際情況較為相符, 可信度也較高 透過小型風洞實驗室, 進行縮尺模型屋之試驗, 為求風道之穩定氣流而裝置變風量 (VAV) 控制器來驅動風扇馬達, 最高風速可達 5m/s, 本研究實驗裝置, 如圖 2 所示 為取得有效的實驗數據, 於進行足小型風洞實驗室體實驗前, 必須先做儀器穩定度的測試, 以確立實驗狀態之穩定性, 其穩定性測試結果, 如圖 3 所示 本研究實驗步驟則如表 2 所示 風扇控制整流器測點位置 實驗步驟 空白量測 縮尺模型屋檢測 實驗照片 1. 將整流器裝置入風道內, 調整風速至所需之值, 量測其風速變化 縮尺模型屋 圖 2 本研究縮尺風洞實驗裝置系統示意圖 風速 :00 0:20 0:40 1:00 1:20 1:40 2:00 2:20 2:40 3:00 3:20 圖 3 縮尺風洞實驗室穩定性測試三 數值模擬比對結果表 3 與表 4 分別為縮尺模型屋在與非模擬系統條件下的室內流場分布情況, 顯示與非分布對計算結果 2. 放入縮尺模型屋, 經由測點量測各點風速值 3. 改變風扇之速度, 用相同方法量測之 的精確度有所差異 在與非所 產生的結果顯示, 在 Inlet 與 Outlet 所呈現的數 值模態皆相同, 惟在曲度表現上非交格點所呈現 之模態為平滑之曲度, 則否 進一步將實驗數值與數值計算以 及非數值計算進行誤差值計算分析, 發 現非模擬所計算產生之數值比正交格 點模擬所得之數值更接近實際透過小型風洞實 驗所得之數值 其比對結果, 數值計算 與實驗數值誤差為 4%, 非數值計算與 實驗數值間誤差為 2%, 顯示非系統更 能夠精確的反應建築流場結構, 尤其是外部風場 與建築量體碰撞區的計算結果能更趨近小型風 洞實驗結果, 如圖 4 所示 6-6-3

4 表3 格點分佈 不同格點條件之流場比較 格點類型 Y 向剖面流場 Case A = 非 Case B = 非 Case C = 非 Case D = 非 6-6-4

5 交格點交格點交格點交格點表 4 不同格點條件 X 向剖面流場比較 格點分佈 0.8 m 1 m 1.2 m 2.5 m 圖例正Case A = (8400) 非正Case B = (22491) 非正Case C = (57536) 非正Case D = (101088) 非6-6-5

6 非實測數值測點位置 Height (cm) m/s 圖 4 不同格點模擬數值與實測值之比較 四 結論 在與非數值解析之準確 度比較上, 非系統優於系統, 透過非模擬系統, 在現今一般之建築物 非垂直水平的設計更能準確地預測建築空氣環 境之評估影響, 以及在正確的初始設定 邊界條 件與合理的數值解析程序之下, 可做為建築設計 應用之參考 五 致謝 感謝行政院國家科學委員會對本研究之經 費補助, 本文為該研究衍生之成果 ( 計畫編號 : NSC E ) 六 參考文獻 1. 周伯丞 林世峰 鍾博任 江哲銘, 非系統技術運用於建築流場數值模擬之研究, 中華民國建築學會第十六屆建築研究成果發表會,E64,pp , 戴昌賢 張金龍 蔡建雄 楊政展 洪欽山 林志儒 姚俊男, 室內建築配合空調系統之流場分析, 第二十屆機械工程研討會, Chou, P.C.; Chiang, C.M.; Chuah, Y.K.; et al., Effects of Window Positions on the Air Flow Distribution in a Cross-Ventilated Residential Bedroom, Indoor + Built Environment, 7(5-6): , Chiang, C.M.; Lai, C.M.; Chou, P.C.; et al., The Influence of an Architectural Design Alternative (Transoms) on Indoor Air Environment in Conventional Kitchen in Taiwan, Building and Environment, 35(7): , Chou, P.C.; Chiang, C.M. & Chen, N.T.; et al., Detailed Experimental data of Indoor Air and Thermal Environment in the Working Spaces using Under-floor Air Distribution (UFAD) System, Ventilation 2003, pp , 2003, Sapporo, JAPAN. 6. Chiang, C.M.; Chou, P.C.; Li, Y.Y.; et al., The Naturally Ventilated Performances of the Transoms installed the Porous Screens in the Conventional Kitchen of Taiwan, Indoor Air 2002, Vol. 2, pp , 2002, Monterey, USA. 7. Tsai, C. H. and Lee, S. T., Flame Propagation in a Rotating Tube, Journal of the Chinese Institute of Engineers, 23: , Fanger, P. Ole, The Philosophy behind Ventilation: Past, Present and Future, Indoor Air 96, Vol. 4, pp. 3-12, 1996, Nagoya, Japan. 9. Turner, Fred, Achieving IAQ and Efficiency, ASHRAE Journal, Vol. 40, No. 12, pp. 8-16, David W. Bearg, Indoor Air Quality and HVAC Systems, Lewis Publisher, M.Sandberg, The Use of Moments for Assessing Air Quality Ventilated Rooms, Building and Environment, 18: ,