带穹顶结构建筑内部气流热流仿真分析模型

　　在建筑暖通设计与室内环境调控领域，这类带穹顶结构的建筑气流仿真模型，主要用于解决大跨度异形空间内的气流组织不合理、冬季外窗玻璃结露等实际工程问题。很多带穹顶的公共建筑、小型展陈空间或者特殊功能实验舱，因为穹顶部分的空间高度大，热空气容易在顶部聚集，而下部靠近外窗的区域如果通风设计不到位，冬季室内外温差大的时候，玻璃内表面温度低于露点温度，就会出现冷凝水，轻则影响视线、污染窗框，长期下来还会滋生霉菌、侵蚀墙体保温层。做这个模型的时候，首先是还原建筑的实际外形边界，主体分为下部的矩形功能区、弧形连接段以及上部的半球形穹顶，外窗布置在下部建筑的立面，通风口的位置选在靠近窗下沿的区域，这也是实际工程中热风幕或者低位通风装置常用的安装位置，安装边界要预留出通风装置的安装空间，不能和墙体结构、窗框构件发生干涉，通风口的出风角度可以根据模拟结果调整，保证热气流能沿着玻璃内表面向上流动，形成均匀的热风幕，隔绝室外低温对玻璃内表面的影响。

　　模型里做了温度场的分区显示，穹顶顶部的空气温度维持在22℃左右，属于热空气聚集的区域，外窗附近的玻璃内表面温度在模拟工况下能维持在4℃以上，高于对应湿度条件下的露点温度，避免冷凝水产生，建筑中部平台区域的温度在22℃上下，符合人员活动区域的舒适温度要求。做这类仿真模型的时候，不能只做建筑的外形结构，还要把气流的流通路径、温度分布的特征做可视化处理，不同区域的温度差用色彩区分开，方便设计人员直观看到气流组织的薄弱点。实际应用的时候，这类模型可以辅助暖通工程师调整通风口的风量、出风温度、安装角度，不用等建筑建好之后再做现场调试，能减少后期改造的成本。

　　比如一开始如果把通风口设置在太高的位置，热气流还没到达玻璃表面就已经向上飘散，玻璃下部的温度还是上不去，结露问题解决不了；如果通风口的出风速度太大，又会在人员活动区域产生明显的吹风感，影响室内舒适度，通过模型的仿真模拟，可以在设计阶段就把这些参数调整到合理区间。另外穹顶部分的气流组织也很重要，因为热空气自然上浮，如果顶部没有适当的回风或者气流引导，顶部区域的温度会持续升高，不仅浪费热能，还会加大上下部的空间温差，导致下部活动区域的温度达不到设计要求，模型里也体现了穹顶区域的温度分布，方便设计人员考虑顶部是否需要设置回风装置，平衡整个空间的温度场。

　　模型的结构尺寸完全按照常规小型穹顶建筑的比例搭建，墙体厚度、窗户尺寸、穹顶曲率都符合实际建筑的设计规范，安装边界上，通风口的预留尺寸匹配常用的条形通风装置，不需要额外对建筑结构做二次修改就能直接安装，和建筑立面的整合度很高，不会破坏建筑的外观效果。在建模过程中，还考虑了不同工况下的模拟需求，比如室外温度更低的严寒地区，可以调整通风口的出风参数，通过模型快速验证调整后的防冷凝效果，不用重新搭建整个建筑模型，能提高设计迭代的效率。很多设计人员在做异形建筑的暖通设计时，容易忽略异形空间对气流走向的影响，按照常规矩形建筑的经验布置通风装置，最后实际使用的时候出现结露、局部温度不均的问题，这类仿真模型就是把看不见的气流和温度分布变成可视化的内容，让设计人员能提前发现问题，优化设计方案。