空氣動(dòng)力學(xué)和微環(huán)境

主題報道Aerodynamic Microclimate空氣動(dòng)力學(xué)和微環(huán)境文/俞金晶馬也旻 Cagla Gurbay Prajish VinayakYU Jinjing MA Yemin Cagla Gurbay Prajish vinaya摘要∶建筑的首要目的之一是給人創(chuàng )造一個(gè)舒適環(huán)境的庇護所。然而,持續的自然和人為因素的變化對人的舒適度產(chǎn)生了互動(dòng)式響應的需求。直到今天使用空調系統來(lái)調節室內空間舒適度是比較普遍的方式,但本文根據流體動(dòng)力學(xué)和自然通風(fēng)率計算的引導方式和技術(shù)提出以g風(fēng)引起的自然通風(fēng)作為更好的選擇,在多個(gè)室內微環(huán)境中響應人的使用流動(dòng)變化。提出的論點(diǎn)是通過(guò)封閉空間的形態(tài)演變和混合形態(tài)的構建系統一起實(shí)現一個(gè)整體性能驅動(dòng)的建筑030關(guān)鍵詞:人的舒適性、多樣的微環(huán)境、遺傳學(xué)找形、空氣動(dòng)力學(xué)、互動(dòng)材料體系Abstract: Architecture 's primary purpose is sheltering while maintaining human comfort withinsurrounding circumstances. In the case of human comfort, continuous change of natural andman- made parameters at different scales creates the necessity of dynamic response. Being3/oesgreodtorgeneratngsouonr,arcondtosysermscontongioatedmnerspaceswere a significant method until today. In light of conducted methods and techniques suchas optimization through computational fluid dynamics, natural ventilation rate calculations,this dissertation suggests wind-induced cross ventilation as better alternative in manipulatinge interior microclimates in response to occupancy fluxes. The argument presented hereinvestigates an envelope generated through evolutionary form-finding and is overlaid with工952an hybrid dynamic component system which together delivers a holistic performance drivenarchitectureKeywords: human comfort, heterogeneous microclimate, evolutionary form-findingaerodynamics, responsive material system991o>s-引言建筑的主要目的之一是給人提供舒適的庇護所H中國煤化工境氣候的變化。本研究課8占題主要關(guān)注通過(guò)多孔性的動(dòng)態(tài)表皮系統調節筑室CNMH需求。整個(gè)系統整合風(fēng)的影響、人體舒適性和建筑界面響應這三個(gè)因素和與之相關(guān)聯(lián)的建筑、環(huán)境和結構的思考。在特定的氣候條件下,占以自然通風(fēng)效率為主要策略,根據空間中人群占有量導致溫度和濕度的變化作出相應的變化。在設計階段將建筑室內微環(huán)境與周遭大氣環(huán)境的相互關(guān)系納入思考中,而不是在最后階段為了提供人群相對的舒適環(huán)境而付出巨大的代價(jià)人體舒適度是建筑設計性能評估的基本要素之一。熱舒適度在自然環(huán)境和人為因素影響下的持續變化為建筑創(chuàng )建動(dòng)態(tài)響應提供了必要性。迄今為止,對于波動(dòng)的舒適度要求,使用機械空調系統控制室內的環(huán)境是一種普遍的決方案。據美國能源部公布的能源消耗,在熱帶氣候區,建筑用于冷卻能源總量占總能源量的39%。而且,過(guò)多依賴(lài)機械系統可能會(huì )對健康造成不良的影響和結果,這種現象稱(chēng)為病態(tài)建筑綜合征(SBS)。本方案提議的是一個(gè)低能耗高效率的方案,由材料性質(zhì)變化引起形態(tài)變化而形成的動(dòng)態(tài)表皮系統來(lái)控制自然通風(fēng),調節建筑室內的微環(huán)境從而實(shí)現人特定的舒適度需求(圖1)。2室內細部湓染照片果逐步優(yōu)化的,其中研究的類(lèi)型是定量的;有限元結構分析被用于形態(tài)幾何物理分析和受空氣動(dòng)力限制的組件和整體結構性能設計的過(guò)程中;計算控制系統中包括接受濕度、溫度和風(fēng)壓強感應器的數據和計算分析數據的代碼,控制材料的性質(zhì)從而滿(mǎn)足空間質(zhì)量變化的動(dòng)態(tài)需求。在材料研究中,記憶合金和膠合板的合成方法為整個(gè)系統提供了應用可行性(圖2-3)二、設計過(guò)程1.自然通風(fēng)在過(guò)去60多年中,自然通風(fēng)已經(jīng)被科學(xué)詳細地分析,并已被證明是能夠代替機械來(lái)控制舒適性和維持空氣質(zhì)量的有效方式。內部空氣的流動(dòng)主要是根據風(fēng)速的大小和開(kāi)口的策略形成的壓力差而形成的,基于這一原則,自然通風(fēng)被分為風(fēng)壓和熱壓通風(fēng)。由于熱壓通風(fēng)在小規模項目中影響甚微,因此風(fēng)壓通風(fēng)被視為在特定室內空間中形成多個(gè)微環(huán)境最有效的通風(fēng)技術(shù)。伯努利原理是依賴(lài)于流體的流量和壓力在建筑表面形成不同的流體勢能從而形成通風(fēng),且在速度大的地方壓力小,束度小的地方壓力大?；陲L(fēng)壓通風(fēng)主要根據表面的壓力差和開(kāi)口,特定的數學(xué)公式被用于制定一項戰略以?xún)?yōu)化建筑形式和開(kāi)口通風(fēng)性能,從而實(shí)現最大通風(fēng)率。通過(guò)研究和實(shí)驗得出,只有當空隙率在低于23%的封閉總表面面積下,才可以考慮在表面上的壓強系數來(lái)實(shí)現風(fēng)壓通風(fēng)( Karava,2008)。第一個(gè)公式中考慮的換氣1模型照片S單位,它實(shí)質(zhì)上是指在一個(gè)限定的空間內,空氣替次數是取決于開(kāi)口的截面積大小和空間體積的關(guān)系。、設計方法整個(gè)系統的設計是基于自然通風(fēng)能平衡人的舒適度的基礎上展開(kāi)的。主要ACH=(3600 U*CAo)/Volume()運用遺傳算法,有限元結構分析和適應性材料測試等技術(shù),分別解決建筑∪-速度的流體(空氣」中國煤化工形態(tài)、曲面細分和動(dòng)態(tài)感應。自然通風(fēng)的原理方法及其數學(xué)公式作為風(fēng)引CA0-開(kāi)口截面積CNMHG起的對流通風(fēng)的基本概念被運用到設計過(guò)程中。流體計算動(dòng)力學(xué)(CFD) Volume-封閉空間的體積巨更裝是本研究的基礎,遺傳算法即形態(tài)計算演變的過(guò)程是根據CFD的計算結另一個(gè)公式是通過(guò)通風(fēng)流量(Q)(西瓦庫瑪,2012)密閉空至三主題報道和氣流在建筑表面上形成的壓力系數,作為一種方法來(lái)優(yōu)化建筑物的封閉形態(tài)及在其表面上開(kāi)口部分的位置,以更好地實(shí)現通風(fēng)效CpW= PW-Pref/(1/2)*p*(Uref) 2CpL=PL-Pref/(1/2)*p*(Uref) 2(3)CpW-迎風(fēng)面的壓力系數cpL-背風(fēng)面的壓力系數Pref-參考壓力P-空氣密度Uref-參考速度影響自然通風(fēng)效率的因素有兩個(gè):一,表面上壓強差大的位置通風(fēng)效率會(huì )高;二,低的湍流動(dòng)能通風(fēng)效率會(huì )高。同時(shí)在熱帶氣候區室內空間0.4m/s-2m/s的風(fēng)速,變換空氣里低于32℃的溫度和65%的濕度,是人相對比較舒適的條件。3模型細部照片2.建筑形態(tài)進(jìn)化-遺傳算法在自然界中,自下而上的涌現現象通常是形式出現的原始策略。壓力誘導自然通風(fēng)作為遺傳算法的準則,用于結合涌現和行為演化,以一個(gè)簡(jiǎn)單的形態(tài)作為開(kāi)始,根據預先確定的信息開(kāi)始發(fā)育演化。在我們的案例中被定義為三個(gè)不同的空間形態(tài),032根據壓力的不同、組織空間結合方式以及形態(tài)的逐步演化的過(guò)程為進(jìn)化過(guò)程。系統的復雜性不單來(lái)自單個(gè)組件的復雜性,同時(shí)包括復雜的規則設定。在生物學(xué)中,這種規則被命名為基因組的行為。在內部和外部因素共同作用下,進(jìn)化的基因組是通過(guò)突變和自然選擇以實(shí)現更高的效率和更好的表現(圖4)。今④今Population IPopulation‖lPopulation IlPopulation IVPopulation VH中國煤化工CNMHGCp/e FITNESS CRITERION TO BE MAXIMIZED: VENTILATION RATE(Cp)/TURBULENT KINETIC ENERGY(Te)4遺傳算法演化過(guò)程及選擇將表面上的控制點(diǎn)視作基因,控制點(diǎn)可以在一定的三維空間內移動(dòng)以產(chǎn)生不同的形態(tài)變化。通過(guò)原始基因和突變基因的繁殖,產(chǎn)生了5個(gè)種群,將進(jìn)風(fēng)口毎個(gè)種群通過(guò)計算機流體分析(CFD)對通風(fēng)流速和湍流強度進(jìn)行性能評估。第一個(gè)衡量標準是根據單向為6ms的風(fēng)在表面上形成高壓強差以增強室內的通風(fēng)流速和準確的開(kāi)口位置的設置;第二個(gè)衡量標準是根據建筑板材(結構)形式的外部形態(tài)盡量減少兩側和背側湍流動(dòng)能(TKE)來(lái)確保流出的流體不被影響。在場(chǎng)地和功能的定義下,考慮空間體積、基座面積和高度限制的情況下,有三個(gè)高效率的形式作為潛在的最終形態(tài)被選出(圖5)絕緣套管動(dòng)態(tài)部分記憶合金(SMA動(dòng)片(切割膠合板6組件各層材料組合5紐件控制風(fēng)速CFD測試4.復合材料的組件特性3.組件系統的風(fēng)性能考慮到在不同環(huán)境條件下作出響應的必要性,該材料邏輯被定義為具有動(dòng)通過(guò)組件對風(fēng)速控制也可以實(shí)現人體舒適度的需求。根據計算流體動(dòng)力學(xué)態(tài)響應功能的復合材料系統。各向異性特征的膠合板和鎳/鈦合金的熱反實(shí)驗設置和測試來(lái)確定組件的尺寸范圍。合適的風(fēng)速是從外側的6m/s減應特征為所需的動(dòng)態(tài)響應提供了一個(gè)復合材料系統(圖7)小為2ms。此外,為獲得更高效率的空氣流量計算,通過(guò)的開(kāi)口應該是單向的。最初對組件的剖面進(jìn)行了測試,同時(shí)組件的最大尺寸由于雙向氣組件動(dòng)態(tài)部分的概念來(lái)自有重疊區域的花瓣,重疊區域可以減小由風(fēng)引起流在一定程度上的影響也進(jìn)行了最大可能性的測試。只要保持進(jìn)風(fēng)口面積的振動(dòng)。復合材料組件動(dòng)態(tài)的“花瓣”為被切割圖案并可彎曲的膠合板,和出風(fēng)口面積在1:3的關(guān)系,就可以將6ms的風(fēng)速減為2ms,同時(shí)構和兩組包裹有絕緣套管的記憶合金,分別控制組件開(kāi)口的打開(kāi)和關(guān)閉,并件的邊界和深度不受風(fēng)速變化影響。連接到低電壓電源。同時(shí)用絕緣和軟性的薄硅膠來(lái)封住膠合板層的開(kāi)口圖案,將記憶合金夾在膠合板和硅膠中間。文丘里效應進(jìn)一步證明在取得適當比例的基礎上,橫截面面積成比例地減少會(huì )增加速度。當流量(Q),即體積流速為恒定的速度()的入口的橫截面面積(A1)時(shí),乘法運算的速度(v2)的出口的橫截面面積(A2)必須相等。Qm31s)=v(ms)A1(m2)=v2(ms)A2(m2)(4)對于該項目的特定目標是組件的出口面積需要減少空氣速度從=6ms到v2=2ms7組件打開(kāi)和閉合Ⅵ·A1=v2·A26·A1=2·A215cm的形狀記憶合金在500-800的熱處理下得到具有12圈、34圈3·A1=A2和整圈曲率的初始形態(tài)(圖8)。此外,根據楊氏模量的物理方程,促使結論,出風(fēng)口的動(dòng)態(tài)組件的橫截面面積應該是進(jìn)風(fēng)口截面面積的三倍。同變形的應力與彎中國煤化工的。同時(shí)截面積的大小時(shí)還研究了在一個(gè)盒子進(jìn)風(fēng)口位置和出風(fēng)口位置不同的情況下,盒子內部取決于切割圖CNMHG長(cháng)度,通過(guò)進(jìn)行不同的產(chǎn)生不同的風(fēng)速和流體的分布,實(shí)驗得出需要在最大壓力差的迎風(fēng)面和背切割模式試驗,預凋在現頭情下,想要頭現彎曲形狀,需要直徑約為風(fēng)面有相同的開(kāi)口面積來(lái)驅動(dòng)自然通風(fēng)(圖6)0.8mm的4條形狀記憶合金串聯(lián),并與6mm的膠合板結合。主題報道Disp DY(mm)百【 Mecrerococeard s【齷w【。圖Cut Density: 0Cut Density: 10Cut Density: 20Cut Density: 25.os4 Young's Modulus: 10.50Gpa Young,s Modulus: 0. 34 Gpa Young's Modulus: 0.08 Gpa Youngs Modulus: 0.04Gpa00121鹽aAmpere: 3AAmpere: 3AAmpere: 3AAmpere: 3AVoltage: 2.7VVoltage: 2.5VVoltage: 2.8VVoltage: 2.6V8楊氏模量應用測試5.表皮細分和結構優(yōu)化在保證通風(fēng)開(kāi)口要求的前提下進(jìn)行表皮細分,并對組件系統進(jìn)行內應力測試從而調整其深度,以提高材料的利用率并優(yōu)化其結構。比較三邊形、四邊形和六邊形這三種細分形式,得出在相同的表面面積的情況下,六邊形的材料使用效率是最高的。四邊形和六邊形有相似的打開(kāi)面積,但是,四邊形的形變程度要小于六邊形,因此決定用四邊形和六邊形組成的混合結構。另一方面,因為材料是木材,而木材的物理強度性質(zhì)受紋理方向的不同而改變。根據般木材的特性,垂直于木材紋理的承受力是最小的,所以分析了結構片的軸向力,并根據軸向力的值034來(lái)調整得到結構的深度(圖9選擇形態(tài)曲率分析通風(fēng)口設置結構受力分析等分六邊形尺寸調整-曲率尺寸調整-通風(fēng)四邊形替換9形態(tài)細分過(guò)程將以上兩個(gè)初始的研究,運用到整個(gè)形態(tài)的一般六邊形細分中,加入通風(fēng)效率高的位置和曲率這兩個(gè)因素來(lái)調整表面細分,同時(shí)通過(guò)結構分析,將受壓力比較大部分替換為四邊形,最后得到的混合結構的形變比之前調整的毎一步都小。根據軸冋力分析得到的比例,調整岀三個(gè)不同深度來(lái)測試最終的材料厚度和深度的關(guān)系。最后得到,在這樣的建筑尺度下,12mm厚和0.2m-1,m的深度是材料使用率和形變率最合適的尺度。6.計算控制系統在自然通風(fēng)的物理現象中,計算控制系統的智能決策體現出了優(yōu)異的適應能力。通數詡輯析的邏輯,提高反動(dòng)態(tài)組件系統的反應能力(圖10)。在現實(shí)中有三種不同的感應器,分別是溫度、濕度和風(fēng)中國煤化工應室內空間人的舒適程度;風(fēng)壓感應器感應表皮上壓強差最大的位置。然后 Arduino中的代碼可以分析接CNMH電能來(lái)決定多少構件需要打開(kāi)和關(guān)閉,哪些構件需要先打開(kāi)以達到最高的通風(fēng)效率(圖11)。里h10適應性系統所需組件11 Arduino板連接細部中國煤化工CNMH主題報道AJOINTS(PATTERNED CUTSTRUCTURAL PLATESINLET PLATES12CNC切割圖形036系統的中央處理器 Arduino板在5∨的電壓下工作,毎隔5秒便會(huì )接收數據,若數據不同便會(huì )作岀相應的調整,使室內的微環(huán)境保持平衡般情況下,所需要的驅動(dòng)電流為3-4A,驅動(dòng)時(shí)間約10-15s。對于每個(gè)組件,6片在同一時(shí)間被驅動(dòng)需要1Ω的電壓。因此,在整個(gè)系統中每個(gè)驅動(dòng)將消耗約60000J能量(圖12)。7.數字建造整個(gè)建筑的建造是可通過(guò)電腦數字控制完成的,毎一個(gè)木片的尺寸和節點(diǎn)的角度都不同,因此在電腦中對木片進(jìn)行分類(lèi)和數據編輯,通過(guò)CNC精確的切割后,可按照編號迅速地進(jìn)行裝配。最終選取建筑的—部分按照1:2的比例來(lái)建造,總共16個(gè)組件,包括238片不同尺寸的木片和415個(gè)不同角度的節點(diǎn)進(jìn)行CNC切割?？傆?天CNC切割,2天裝配,以及2天記憶合金裝配幸中國煤化工CNMHG13建逵過(guò)程結語(yǔ)開(kāi)發(fā)的技術(shù)被應用到一個(gè)特定的形式,通過(guò)遺傳算法找形,有限元結構分析表皮細分和材料的測試性應用,將實(shí)現室內與人占有量相聯(lián)系的微環(huán)境和動(dòng)態(tài)的自然通風(fēng)建筑的互動(dòng)關(guān)系。最后,對整個(gè)選定的形式的三個(gè)空間——前臺、展廳和辦公室進(jìn)行通風(fēng)效率可能性測試;通過(guò)計算控制系統實(shí)驗模擬了現實(shí)中建造并實(shí)現的可行性;同時(shí)物理模型很好地證明了結構上的合理性(圖13-15)。14整體模型渲染圖片15剖面及CFD測試中國煤化工CNMHG作者簡(jiǎn)介俞金晶,馬也旻, Cagla Gurbay( Turkey), Prajish Vinayak( India)/英國建筑聯(lián)盟學(xué)院, Architectural Association, EmTech