Kikamata upepo chenye louvers za flap-fin kilichowekwa kwenye façade (façade-mounted flap-fin louver windcatcher) ni mfumo wa uingizaji hewa wa asili unaolenga kutumia tofauti za shinikizo zinazozalishwa na upepo kuelekeza uingizaji wa hewa safi kutoka nje na utoaji wa hewa chafu kutoka chumbani kupitia mabawa ya flap yasiyotumia nishati. Utafiti huu unatengeneza mfumo wa utabiri wa nambari wa kuvuka mizani unaounganisha upepo wa marejeo katika tabaka la mpaka wa anga la jengo refu na upepo wa eneo la façade unaotokea kuzunguka jengo, kisha na kiwango cha mtiririko wa uingizaji hewa wa kikamata upepo. Utafiti unatumia kwa pamoja simulesheni za CFD za RANS za hali-tulivu zilizofanywa kwa ANSYS Fluent 2025 R1, kanuni ya utendaji wa flap-fin ya mizani ndogo iliyothibitishwa kwa majaribio hapo awali, uthibitishaji wa mtiririko wa jengo wa AIJ Case A, na visa vitatu vya CFD vilivyounganishwa kikamilifu vya jengo–kikamata upepo.

Katika simulesheni za kifaa kilichotengwa, kati ya kasi ya upepo mlalo wa eneo \(U_{local}\) na kiwango cha mtiririko wa usambazaji wa hewa safi \(Q\) ulipatikana uhusiano wa karibu na mstari \(Q=aU_{local}\), huku kwa kikamata upepo \(a=0,193\ \mathrm{m^2}\), na kwa ulinganishi wa mstari unaopita kwenye asili \(R^2=0,9995\). Mgawo huu unaunganishwa na mgawo usio na kipimo wa kasi ya upepo wa eneo \(C_{U,p}\) uliopatikana kutoka modeli ya CFD ya jengo pekee, hivyo kuwezesha utabiri wa awali wa \(Q_{pred}=aC_{U,p}U_{ref}\) kwa kila nafasi ya façade inayotarajiwa bila kutatua tena jiometri kamili ya kifaa.

Hata hivyo, mbinu hiyo haikufanya kazi kwa usahihi sawa katika hali zote za mtiririko wa façade. Katika Case B, yenye mtiririko wa upande ulio laini kiasi, utabiri ulikuwa 620,0 L/s, matokeo ya CFD iliyounganishwa kikamilifu yalikuwa 611,71 L/s, na kosa likahesabiwa kuwa +%1,36. Katika Case C, yenye mgongano wa pembeni unaolingana na mwelekeo, utabiri ulikuwa 460,0 L/s, matokeo yaliyounganishwa kikamilifu 472,0 L/s, na kosa −%2,54. Kinyume chake, katika Case A, yenye kujitenga kwa nguvu kwa mtiririko na mtiririko usio sawia sana kwa nafasi, kasi ya eneo iliyochukuliwa katika nukta moja haikuweza kuwakilisha momentamu faafu inayofikia eneo halisi la kuingilia; utabiri ulikuwa 250,0 L/s, lakini matokeo yaliyounganishwa kikamilifu yalikuwa 124,80 L/s pekee, na kosa likafikia +%100,30.

Katika uchambuzi wa CFD wa uhuishaji wa hewa ya ndani, chini ya kasi ileile ya upepo wa nje ya 5 m/s, wastani wa umri wa hewa wa eneo katika tambarare za sehemu zilizochunguzwa ulikuwa 111,51 s kwa dirisha linalofunguka kwenda nje, 76,55 s kwa kikamata upepo, na 69,14 s kwa kikamata upepo chenye anti-short-circuiting device (ASCD). Ingawa ASCD ilipunguza kiwango cha mtiririko wa kikamata upepo kutoka 992 L/s hadi 920 L/s, yaani kwa %7,2, ilizuia hewa safi kutorokea moja kwa moja kwenye sehemu ya karibu ya kutolea hewa na kuifanya ipenye zaidi ndani ya chumba. Ikilinganishwa na dirisha, wastani wa umri wa hewa ulipungua kwa %31,4 kwa kikamata upepo na kwa %38,0 kwa kikamata upepo chenye ASCD.

Matokeo haya hayapaswi kutafsiriwa kama mafanikio ya uwanjani katika jengo refu la ukubwa kamili. Mfumo wa façade wa ukubwa kamili umetathminiwa katika makala hii kwa CFD. Msingi wa majaribio ni vipimo vya handaki la upepo na mazingira ya nje vya prototipu ya flap-fin ya mizani ndogo ya hapo awali. Chanzo kinaacha uthibitishaji wa majaribio wa usanidi uliowekwa kwenye façade wa ukubwa kamili kama kazi ya baadaye.

Kwa nini tatizo la utafiti si suala la kufungua dirisha tu?

Katika uingizaji hewa wa asili wa upande mmoja, uhusiano wa chumba na mazingira ya nje uko kwenye façade moja tu. Hali hii hufanya iwe vigumu kutumia tofauti thabiti ya shinikizo kati ya façade mbili tofauti kama ilivyo katika uingizaji hewa wa kuvukana. Katika majengo marefu tatizo ni changamano zaidi, kwa sababu upepo wa anga unaokaribia jengo si sawa na upepo wa eneo unaoonekana kwa dirisha au kikamata upepo. Kwenye façade ya jengo kunaweza kutokea eneo la kusimama kwa mtiririko, kuongeza kasi kwenye kingo, kujitenga kwa mtiririko, kuungana tena, na mzunguko wa nyuma katika eneo la wake.

Tatizo kuu la kihandisi ambalo watafiti wanajaribu kutatua ni hili: kuendesha modeli ya CFD ya azimio la juu ya jengo + kifaa iliyounganishwa kikamilifu katika kila nafasi inayowezekana ya façade ni ghali kwa hesabu. Kwa upande mwingine, kutumia kasi ya upepo wa anga huru pekee hupuuza aerodinamiki ya eneo ya jengo. Utafiti unapendekeza mbinu ya moduli kati ya ncha hizi mbili.

Mbinu ya Utabiri wa Kuvuka Mizani Inafanyaje Kazi?

Mbinu kwanza hulinganisha kasi ya upepo wa eneo katika nukta ya façade inayotarajiwa na upepo wa anga wa marejeo kwa kutumia CFD ya jengo isiyotegemea kifaa; kisha huunganisha mwitikio wa \(Q=aU_{local}\) uliopatikana kutoka CFD ya kifaa kilichotengwa na kasi hiyo ya eneo ili kuzalisha kiwango kinachotabiriwa cha mtiririko wa uingizaji hewa bila kutatua jiometri kamili ya kifaa katika kila nafasi.

Mfumo wa flap-fin unafanya kazi vipi kimwili?

Mabawa ya flap hufanya kazi kama vipengele vya aina ya vali ya kuzuia kurudi. Shinikizo chanya linapotokea kwenye mianya inayopokea upepo, mabawa husika hufunguka kuelekea uingizaji wa hewa safi. Mianya ya leeward yenye shinikizo la nje lililo chini hubaki katika hali tofauti ili kupunguza mtiririko wa kurudi nyuma, huku mianya mingine ikiunda njia ya kutolea hewa.

Kwa sababu kifaa kinajitokeza nje ya façade, kinajaribu kunasa chanzo cha upepo wa eneo kilicho karibu kabisa na uso wa jengo. Kwa kuwa chumba kinaunganishwa na mazingira ya nje kupitia kikamata upepo hiki pekee, kichocheo kikuu cha mfumo si tofauti ya shinikizo kati ya façade tofauti za jengo, bali ni tofauti ya shinikizo inayozalishwa na kifaa chenyewe kati ya nyuso za kuingilia na kutolea hewa za kikamata upepo.

Katika hali ya kazi iliyosimuliwa, baadhi ya mabawa ya flap ya kuingilia yalifafanuliwa kuwa wazi kwa 60°, mengine kwa 75°, na flap zote za kutolea hewa kwa 75°. Chanzo kinahusisha kutoweza kwa flap zote za kuingilia kufikia pembe ya 75° na kugusana kwa mabawa yaliyo jirani katika majaribio ya awali. Kwa hiyo, masafa ya 60°–75° hayakutumika kama chaguo la urembo la modeli, bali kama uwakilishi wa kikomo cha kufunguka kilichoonekana kimitambo.

Jiometri msingi ya chumba na kifaa

Chumba kilichotumika katika utafiti kina vipimo vya 5 m × 5 m × 3 m. Kila tundu la kikamata upepo ni 175 mm × 280 mm. Mfumo unajumuisha kitengo cha flap-fin cha nje, njia tofauti ya usambazaji iliyounganishwa na chumba, na njia ya kurejesha/kutolea hewa. Katika uchambuzi wa uhuishaji wa hewa ya ndani, anti-short-circuiting device (ASCD) pia ilitathminiwa kwa lengo la kuzuia hewa safi ya usambazaji kwenda moja kwa moja kwenye sehemu ya karibu ya kutolea hewa.

Kwa nini vikundi sita tofauti vya simulesheni vilitumika?

Modeli ya nambari inafanya kazi chini ya dhana gani?

Simulesheni zilifanywa kwa kutumia ANSYS Fluent 2025 R1. Kitatua cha Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) cha hali-tulivu kinachotegemea shinikizo kilitumika. Hewa ilichukuliwa kuwa isiyobanwa na isothermal. Mlinganyo wa nishati haukutatuliwa na athari za kuinuka/buoyancy hazikujumuishwa.

Kwa turbulence, modeli ya standard \(k-\varepsilon\) na standard wall functions zilitumika. Algoriti ya SIMPLE ilitumika katika uoanishaji wa shinikizo-kasi; second-order upwind discretization ilitumika kwa momentamu, nishati ya kinetiki ya turbulence na kiwango cha dissipation ya turbulence. Jengo, sakafu, kuta za chumba, mifereji na nyuso za flap zilifafanuliwa kama kuta za no-slip.

Kigezo cha mabaki cha convergence kwa vipengele vitatu vya kasi ni \(10^{-4}\); kwa continuity, \(k\) na \(\varepsilon\) ni \(10^{-3}\). Baada ya vizingiti hivi kutimizwa, kutokuwepo kwa mabadiliko ya kimfumo ya kiwango cha mtiririko wa usambazaji kinachofuatiliwa katika iteresheni za ziada pia kulitumiwa kama sharti la kukubali suluhisho.

Milinganyo ya RANS

Mlinganyo (B1) ni mlinganyo wa continuity kwa mtiririko usiobanwa. \(u_i\) ni kipengele cha kasi ya wastani na \(x_i\) ni koordinati ya nafasi. Mlinganyo unaonyesha kwamba katika uga wa mtiririko endelevu, massa haipotei wala haitokei yenyewe.

Mlinganyo (B2) ni mlinganyo wa momentamu wa RANS wa hali-tulivu. \(\rho\) ni msongamano wa hewa, \(p\) ni shinikizo tuli la wastani, \(\mu\) ni mnato wa molekuli wa kimitambo na \(\mu_t\) ni eddy viscosity ya turbulence. Upande wa kushoto unaonyesha ubebaji wa momentamu na mtiririko wa wastani; upande wa kulia unaonyesha gradient ya shinikizo na uhamishaji wa momentamu kwa mnato/turbulence.

Katika modeli ya standard \(k-\varepsilon\), mnato wa turbulence humodeliwa kwa nishati ya kinetiki ya turbulence \(k\) na kiwango cha dissipation \(\varepsilon\). Chanzo kilitumia \(C_\mu=0,09\).

Milinganyo hii miwili hufunga usawa wa uzalishaji, usafirishaji, diffusion na dissipation ya nishati ya kinetiki ya turbulence. Chanzo kilitumia \(C_{1\varepsilon}=1,44\), \(C_{2\varepsilon}=1,92\), \(\sigma_k=1,0\) na \(\sigma_\varepsilon=1,3\).

Mgawo wa shinikizo unaonyesha nini?

\(C_p\) hufanya tofauti ya shinikizo tuli la uso kuwa isiyo na kipimo kwa kuilinganisha na shinikizo la dinamiki la mtiririko wa kuingia. Katika simulesheni za kifaa kilichotengwa \(p_{ref}=0\) ilichukuliwa. Hivyo uwezo wa nyuso kuzalisha shinikizo au kuvuta katika kasi tofauti za upepo unaweza kulinganishwa kwenye kipimo kimoja.

Wasifu wa kuingilia wa tabaka la mpaka wa anga

Katika simulesheni ya jengo la ukubwa kamili, \(b=12\) m ni kiwango cha marejeo kwenye urefu wa usakinishaji wa kikamata upepo. \(U_{ref}=4,257\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), \(k_{ref}=0,7115\ \mathrm{m^2\,s^{-2}}\), na eksponenti ya sheria ya nguvu ni \(\alpha=0,232\). Wasifu huu huzalisha kasi ya kuingilia ya 5,0 m/s kwenye urefu wa jengo wa 24 m.

Kiwango cha dissipation ya turbulence kilihesabiwa kutoka \(k\) kwa mbinu ya usawa wa eneo. \(L_{model}\) ni kipimo cha urefu wa turbulence; 0,032 m kilitumika katika uthibitishaji wa mizani ya modeli na 4,8 m katika simulesheni za ukubwa kamili.

Mizani ya jengo iliongezwa vipi?

Jengo la benchmark la AIJ Case A liliongezwa kijiometri mara 150 kutoka vipimo vya 0,08 m × 0,08 m × 0,16 m hadi jengo la marejeo la ukubwa kamili la 12 m × 12 m × 24 m. Chanzo kinaeleza kuwa uhamisho huu ulihifadhi jiometri isiyo na kipimo ya jengo, umbo la wasifu wa tabaka la mpaka wa anga na nafasi za sampuli.

Domain ya hesabu ya ukubwa kamili ni 252 m × 144 m × 486 m. Mbinu ya utafiti inategemea dhana kwamba katika Reynolds number iliyo juu vya kutosha, muundo wa wastani wa mtiririko wa bluff-body wenye kingo kali una utegemezi dhaifu kiasi kwa Reynolds number.

Unyeti wa mesh ulikaguliwaje?

Kwa kikamata upepo, mesh mbaya, ya kati na laini yenye takriban seli milioni 0,24, milioni 1,1 na milioni 4,04 ililinganishwa. Katika kasi za chini na za kati za upepo, mikunjo ya uingizaji hewa karibu ilifanana. Katika kasi za juu zaidi, tofauti ndogo zilionekana kutokana na gradient kali zaidi katika kuingilia, louver na ukingo wa jengo; kwa kuwa hazikubadilisha mwenendo wa jumla, mesh ya kati ilitumika katika simulesheni zilizofuata.

Uthibitishaji wa prototipu na mtiririko wa jengo ni mzuri kwa kiasi gani?

Uthibitishaji huu una muundo wa daraja. Jaribio la prototipu ndogo linaunga mkono kanuni ya kifaa cha flap-fin na CFD ya mizani ya kifaa; AIJ benchmark inaunga mkono uga wa wastani wa upepo kuzunguka jengo. Mfumo mzima wa ukubwa kamili uliowekwa kwenye façade wenyewe haujathibitishwa kwa majaribio.

Mgawo wa kasi ya upepo wa eneo

\(C_{U,p}\) hauna kipimo. \(U_{local}\) ni ukubwa wa kasi ya upepo mlalo wa eneo katika nafasi ya kifaa inayotarajiwa; \(U_{ref}\) ni upepo wa tabaka la mpaka wa anga usiovurugwa kwenye urefu huohuo. \(\theta\) inawakilisha mwelekeo wa upepo unaokuja, \(\phi\) nafasi ya usakinishaji kuzunguka jengo la mraba, na \(z\) urefu.

Katika utafiti huu, \(U_{local}\) ni ukubwa wa kasi mlalo uliohesabiwa katika nukta inayolingana na kituo cha kikamata upepo, 1,5 m nje ya façade na katika urefu wa usakinishaji wa 12 m:

Mlinganyo (2) unaonyesha ni kwa kiwango gani mtiririko wa jengo huongeza au hupunguza kasi ya upepo wa anga wa marejeo katika nukta fulani ya façade.

Kwa nini mwitikio wa kifaa ni wa mstari?

\(Q\) ni kiwango cha mtiririko wa ujazo wa hewa safi unaoingia kupitia tundu la usambazaji upande wa chumba. Katika hesabu, kitengo cha SI m³/s kilitumika, na katika grafu za matokeo L/s. \(a\) ni mgawo wa mwitikio wa kifaa wenye kitengo m².

Kwa kikamata upepo kilichotengwa, \(a=0,193\ \mathrm{m^2}\) na \(R^2=0,9995\) zilipatikana. Chanzo kinasema kuwa mteremko huu ni takriban mara 2,44 ya mteremko wa dirisha la windward linalofunguka kwenda nje lililomodeliwa.

Kulingana na maelezo ya aerodinamiki ya waandishi, kwa kuwa jiometri thabiti huhifadhi takriban vigawo thabiti vya shinikizo na mtiririko katika masafa ya Reynolds number yaliyotafitiwa, tofauti ya shinikizo hupimwa kwa \(U_{local}^2\), na kiwango cha mtiririko wa ujazo kwa mzizi wa mraba wa tofauti ya shinikizo; muunganiko huu hutoa takriban \(Q\propto U_{local}\).

Mlinganyo wa utabiri wa kuvuka mizani

Mlinganyo (4) ni matokeo kuu ya kihandisi ya utafiti. Baada ya \(C_{U,p}\) kupatikana kutoka CFD ya jengo pekee kwa nafasi fulani, kiwango cha takriban cha hewa safi kinaweza kuhesabiwa bila kutatua tena jiometri ya kina ya flap, njia na kutolea hewa ya kifaa katika nafasi hiyo.

Hata hivyo, ili urahisishaji huu uwe halali, \(U_{local}\) iliyopimwa katika nukta moja lazima iwakilishe vya kutosha mtiririko kwenye eneo lote faafu la kuingilia la kifaa. Matokeo ya Case A yanaonyesha kwamba dhana hii inaweza kuvunjika chini ya kujitenga kwa nguvu.

Mgawo Mmoja wa Kasi ya Upepo wa Eneo Unaaminika Lini?

Kulingana na matokeo ya chanzo, uhamisho wa nukta moja wa \(C_{U,p}\) hufanya kazi vizuri wakati mtiririko unaofikia kuingilia kwa kifaa ni laini kiasi kwa nafasi au angalau una mwelekeo thabiti; katika maeneo yenye kujitenga kwa nguvu, mzunguko wa nyuma na gradient kali za kasi, uchunguzi wenye azimio la eneo au CFD iliyounganishwa kikamilifu huhitajika.

Ufafanuzi wa kosa la utabiri

\(\varepsilon_Q\) ni kosa la jamaa lenye ishara. Thamani chanya inaonyesha mbinu rahisi imetoa utabiri wa juu kuliko CFD iliyounganishwa kikamilifu; thamani hasi inaonyesha utabiri wa chini.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Visa vitatu vya uthibitishaji vilivyounganishwa kikamilifu

Kwa nini Case A ilishindwa?

Katika Case A, kifaa kiko chini ya upepo wa 0° katika eneo la mtiririko lililojitenga na lisilo sawia kwa nguvu katikati ya façade. Thamani ya \(U_{local}=1,24\) m/s iliyochukuliwa kwenye nukta moja haikuweza kuwakilisha momentamu ya wastani wa eneo inayofikia kweli eneo lote la kuingilia la kifaa.

Mbinu rahisi ilitabiri 250,0 L/s, huku CFD iliyounganishwa kikamilifu ikitoa 124,8 L/s pekee. Kwa maneno mengine, utabiri ni takriban mara mbili ya matokeo halisi yaliyounganishwa kikamilifu. Hii ndiyo ujumbe mkuu wa ukomo wa utafiti: kasi ya juu ya eneo kwenye nukta moja inaweza isimaanishe kunasa upepo kwa ufanisi ikiwa momentamu ya upepo imejitenga na façade.

Kwa nini Case B ilifanya kazi vizuri?

Katika Case B, chini ya upepo unaokuja kwa 45°, kifaa kiko katikati ya façade ya upande na mtiririko ni laini kiasi. Kwa \(U_{local}=3,08\) m/s na \(C_{U,p}=0,73\), mlinganyo ulitoa utabiri wa 620,0 L/s; matokeo yaliyounganishwa kikamilifu yalikuwa 611,71 L/s. Kosa la +%1,36 linaonyesha kwamba kasi ya nukta moja inawakilisha vizuri mtiririko faafu unaoonekana na kifaa katika hali hii ya mtiririko.

Kwa nini Case C ilifanya kazi vizuri licha ya kuwa karibu na ukingo?

Kwa kuwa Case C iko karibu na ukingo wa jengo, haiwezi kutafsiriwa tu kwamba “nafasi ya ukingo ni mbaya”. Katika kisa hiki, ingawa mtiririko unaathiriwa na ukingo, hugonga kuingilia kwa kifaa moja kwa moja na kwa mwelekeo unaolingana. Utabiri ni 460,0 L/s, matokeo yaliyounganishwa kikamilifu 472,0 L/s, na kosa −%2,54.

Kwa hiyo, mahali pa kusakinisha hapapaswi kuchaguliwa kwa ukubwa wa \(C_{U,p}\) pekee. Chanzo kinapendekeza mbinu ya hatua mbili: kwanza nukta zinazotarajiwa zipangwe kwa mgawo wa kasi ya upepo na uthabiti wa mwelekeo; kisha mwelekeo wa mtiririko unaokaribia na ulaini wa nafasi kwenye eneo lote la kuingilia vikaguliwe.

Utaratibu wa shinikizo katika kikamata upepo

Chini ya kasi uniform ya eneo ya kuingilia ya 10 m/s, chanzo kinaripoti takriban 60 Pa ya shinikizo la dinamiki. Kwenye nyuso mbili za kuingilia, takriban \(C_p=1,00\) na 0,50; kwenye nyuso nne za kutolea hewa, takriban −0,62, −0,63, −0,63 na −0,57 zimepatikana.

Mgawo wa wastani wa eneo wa shinikizo la kuingilia ni takriban \(C_{p,in}=0,75\), mgawo wa kutoka \(C_{p,out}=-0,61\), na tofauti \(\Delta C_p\approx1,36\). Katika kasi ya eneo ya 5 m/s, shinikizo tuli la wastani la kuingilia liliripotiwa kuwa 11,18 Pa, la kutoka −9,70 Pa na shinikizo la chumba 0,74 Pa.

Mpangilio huu huunda eneo la shinikizo chanya kwenye kuingilia na hasi kwenye kutolea hewa, hivyo kutoa uwezo wa shinikizo unaoelekeza hewa safi kutoka kuingilia hadi chumbani na kutoka chumbani hadi njia ya kutolea hewa.

Ukali wa turbulence ulibadilisha mwitikio wa kifaa kwa kiasi gani?

Ukali wa turbulence wa kuingilia uniform wa kifaa kilichotengwa ulibadilishwa kutoka %1 hadi %30. Chanzo kinaripoti kwamba katika masafa ya kasi ya upepo yaliyojaribiwa, kiwango cha mtiririko wa uingizaji hewa kilichohesabiwa kilibadilika kwa kiwango cha juu cha takriban %3,4 na mwenendo wa mstari wa \(Q-U_{local}\) ulihifadhiwa.

Matokeo haya hayamaanishi kwamba “turbulence si muhimu kamwe”. Yanahusu tu unyeti wa ukali wa turbulence uliofafanuliwa katika simulesheni hizi za kifaa kilichotengwa za RANS za hali-tulivu. Matokeo ya Case A yanaonyesha kwamba kujitenga kwa nafasi na mabadiliko ya mwelekeo yanaweza kuwa muhimu zaidi kuliko uhusiano rahisi wa kasi ya nukta moja.

Uchunguzi wa nafasi za façade

Vigawo vya upepo wa eneo vilitolewa kuzunguka jengo kwa mwelekeo wa upepo unaokuja wa 0°, 22,5° na 45° katika urefu wa usakinishaji wa 12 m. Ulinganifu wa mzunguko na wa kioo wa jengo la mraba huruhusu hali hizi tatu kuu za mtiririko kupangiliwa kwenye mzunguko wa jengo.

Nukta karibu na kona kwa kawaida zinaweza kuonyesha mgawo wa kasi ya eneo ulio juu kuliko katikati ya façade tambarare; sababu ni kuongeza kasi kwenye ukingo. Hata hivyo, chanzo kinasisitiza kwamba ukubwa wa mgawo peke yake hautoshi kwa uchaguzi wa mahali. Ikiwa kuongeza kasi kwenye kona kunaambatana na kujitenga kwa nguvu au mzunguko wa nyuma, kasi ya juu ya nukta inaweza isihamishwe kwa ufanisi hadi kwenye kifaa.

Uhuishaji wa hewa ya ndani ulihesabiwaje?

Umri wa wastani wa hewa wa eneo \(\tau\) ulitatuliwa kama skalyar pasivu kwa mbinu ya ANSYS Fluent User-Defined Scalar:

\(\tau\) ni umri wa wastani wa hewa wa eneo kwa sekunde. Baada ya hewa mpya kuingia chumbani, kadiri inavyokaa ndani, ndivyo thamani ya skalyar inavyoongezeka. Umri mdogo wa hewa unaonyesha kwamba hewa safi inafika haraka zaidi kwenye nukta au sehemu husika na hewa ya zamani inabadilishwa haraka zaidi.

\(\Gamma_\tau\) ni diffusivity faafu ya skalyar ya umri wa hewa. Mnato wa molekuli \(\mu_l\) na mnato wa turbulence \(\mu_t\) hupimwa kwa mtiririko kwa kutumia namba za Schmidt za laminar na turbulence mtawalia. Chanzo kilichukua thamani ya 0,7 kwa \(Sc_l\) na pia \(Sc_t\).

Tambarare za sehemu ziliundwa katika umbali tofauti ndani ya chumba, na umri wa hewa wa nukta zote za suluhisho la CFD katika kila tambarare ulifanyiwa wastani. Aidha, pathline zilizoachiliwa kutoka kuingilia kwa hewa safi zilitumiwa kuonyesha ikiwa hewa inaenda moja kwa moja kwenye sehemu ya kutolea hewa.

ASCD Iliboreshaje Uhuishaji wa Hewa Huku Ikipunguza Kiasi Kidogo Kiwango cha Mtiririko?

Kwa kuwa ASCD ilielekeza jeti ya hewa safi mbali na njia fupi inayoenda moja kwa moja kwenye tundu la karibu la kutolea hewa, licha ya kiwango cha mtiririko wa jumla kupungua kwa %7,2, iliwezesha hewa kuzunguka sehemu kubwa zaidi ya chumba; hivyo wastani wa umri wa hewa wa tambarare za sehemu ulipungua kwa %38,0 ikilinganishwa na dirisha.

Bila ASCD, pathline nyingi zenye muda mfupi wa safari huenda moja kwa moja kutoka kuingilia hadi sehemu ya karibu ya kutoka. Chanzo kinatafsiri hili kama mzunguko mfupi wa hewa ulio wazi. ASCD inapoongezwa, sehemu kubwa ya mistari inayoelekea kwenye kutoka hukaa chumbani kwa takriban sekunde 20 au zaidi na kuzunguka katika sehemu pana zaidi ya chumba.

Kuongezwa kwa ASCD kulipunguza kiwango cha mtiririko wa kikamata upepo kutoka 992 L/s hadi 920 L/s. Hata hivyo, umri wa hewa ulipungua kutoka 76,55 s hadi 69,14 s. Matokeo haya ni muhimu kihandisi: kiwango cha mtiririko wa hewa kwa ujazo na ufanisi wa uingizaji hewa si kipimo kimoja cha utendaji. Mahali hewa inapoenda, muda inaokaa chumbani na ikiwa hewa safi inafanya mzunguko mfupi kwenda kwenye kutolea hewa pia ni muhimu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Kwa kikamata upepo cha flap-fin kilichotengwa, kuna uhusiano wa karibu na mstari wenye nguvu sana kati ya kasi ya upepo wa eneo na kiwango cha mtiririko wa uingizaji hewa katika masafa yaliyochunguzwa.
• Mgawo wa mwitikio wa kifaa \(a=0,193\ \mathrm{m^2}\) unaweza kuunganishwa na \(C_{U,p}\) kutoka CFD ya jengo pekee kufanya uchunguzi wa awali wa haraka wa nafasi za façade.
• Uhamisho wa nukta moja wa kuvuka mizani ulifanya kazi katika mtiririko wa kuingilia ulio laini kiasi au unaolingana na mwelekeo kwa kiwango cha kosa kamili cha %1,36 na %2,54.
• Katika kujitenga kwa nguvu na mzunguko wa nyuma, kasi ya eneo ya nukta moja inaweza kupotosha sana; katika Case A kosa ni +%100,30.
• Mpangilio wa flap-fin unaweza kuunda mtiririko wa hewa uliopangwa katika chumba cha upande mmoja huku ukidumisha njia ya usambazaji–kutolea hewa yenye mwelekeo.
• Ingawa ASCD ilipunguza kidogo kiwango cha mtiririko wa jumla, ilipunguza mzunguko mfupi wa hewa na kuboresha uhuishaji wa hewa katika kiwango cha chumba.
• Mfumo wa chanzo unapendekeza mbinu ya uchunguzi wa awali wa hatua mbili katika hali zinazofaa za mtiririko badala ya CFD ghali inayotatua jiometri kamili ya kifaa katika kila nafasi inayotarajiwa.

Ujumlishaji ambao utafiti hauuungi mkono

• Utafiti hauonyeshi kwamba mfumo wa façade wa ukubwa kamili umethibitishwa kwa majaribio katika jengo refu halisi.
• Matokeo ya CFD ya hali-tulivu na isothermal hayajumuishi hali zote za upepo wa ghafla, gust, thermal buoyancy na uthabiti wa anga halisi.
• Hifadhi halisi ya nishati ya jengo kwa mwaka, matumizi ya nishati ya HVAC au upunguzaji wa kaboni hayawezi kuhesabiwa kutoka kwa utafiti huu.
• Haiwezi kuhitimishwa kwamba ASCD itatoa upunguzaji wa %38 wa umri wa hewa katika jiometri zote za vyumba.
• Mgawo wa \(a=0,193\ \mathrm{m^2}\) hauwezi kutumika kama thabiti ya ulimwengu kwa jiometri nyingine za vikamata upepo.
• Hifadhidata ya vigawo ya 0°, 22,5° na 45° haitoshi moja kwa moja kwa jiometri zisizo za kawaida za majengo au mofolojia halisi za mijini.
• Matokeo ya Case C hayamaanishi kwamba “kila kona ya jengo ni mahali pazuri pa kusakinisha”; ulinganifu wa mwelekeo wa mtiririko kwenye ukingo lazima pia ukaguliwe.
• Modeli ya RANS haitatui moja kwa moja transient vortex dynamics na mwendo wa flap unaotegemea wakati.

Vikwazo vikuu na maeneo ya kazi ya baadaye

Chanzo kinaeleza wazi kwamba hifadhidata ya vigawo imewekewa mipaka na jengo lililotengwa lenye sehemu ya mraba, pembe tatu za upepo unaokuja, anga neutral, na mtiririko wa isothermal na hali-tulivu. Majengo yasiyo ya kawaida, miundo ya jirani, mofolojia halisi ya mijini, tabakishaji wa anga non-neutral na upepo transient lazima vichunguzwe kando.

Kufunguka na kufungwa kwa nguvu kwa flap kwa muda hakujamodeliwa katika CFD ya sasa ya hali-tulivu. Kwa sababu majaribio ya awali yalionyesha kwamba mabawa mepesi yanafikia haraka nafasi zao za wazi za kimitambo katika kasi ndogo na mpito wa kati hutokea katika masafa madogo ya kasi, flap ziliwakilishwa kwa hali za kudumu wazi/zilizofungwa.

Kwa mfumo wa ukubwa kamili, nanga za kimuundo, mifereji ya maji, kelele ya mazingira ya nje na mabawa, usalama wa moto/moshi, kufunga katika upepo mkali na upotevu wa ziada wa shinikizo unaosababishwa na vichujio au vipengele vya urejeshaji joto bado si uthibitishaji uliokamilishwa wa muundo; chanzo kinaorodhesha haya kama masuala ya maendeleo ya kihandisi.

Chanzo pia kinataja uthibitishaji wa majaribio wa mfumo wa façade wa ukubwa kamili, hali za kuingilia transient, mwendo wa flap wa nguvu na uundaji wa modeli wa usahihi wa juu zaidi kama mada za kazi ya baadaye.

Hii ina maana gani kwa matumizi?

Mchango wenye nguvu zaidi wa matumizi wa utafiti si namba ya utendaji ya ulimwengu kama “kifaa hiki hutoa kiasi hiki cha hewa kwenye kila façade”. Mchango ni kupendekeza mbinu ya uchunguzi wa awali inayotambua hali ya mtiririko inayoweza kupanga nafasi za usakinishaji wa façade kwa gharama ndogo zaidi ya hesabu.

Katika hatua ya kwanza, vigawo vya upepo wa eneo vya nafasi zinazotarajiwa vinaweza kupatikana kwa CFD ya jengo pekee au tathmini nyingine iliyothibitishwa ya upepo wa mijini. Katika hatua ya pili, nukta zenye mgawo mkubwa hukaguliwa si kwa ukubwa wa kasi pekee, bali pia kwa uthabiti wa mwelekeo wa mtiririko unaokaribia na ulaini wa nafasi. Maeneo yaliyojitenga au yenye mzunguko wa nyuma huondolewa au hutumwa kwenye CFD maalum iliyounganishwa kikamilifu.

Mbinu hii inaweza kutoa msingi wa aerodinamiki kwa njia ya hewa safi yenye mwelekeo unaodhibitiwa ambayo baadaye inaweza kuunganishwa na vipengele vya usindikaji hewa wa nishati ndogo kama urejeshaji joto, uchujaji au evaporative cooling. Hata hivyo, upotevu halisi wa shinikizo na utendaji wa nishati wa vipengele hivi haujapimwa ndani ya utafiti huu.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asili: Cross-scale prediction of façade mounted flap fin windcatcher performance for high-rise single-sided ventilation.

Waandishi — PDF iliyopakiwa: Jiaxiang Li; Yongfei Zhao; Bingchao Zhang; Sirui Wu; John Calautit; Cruz Y. Li; Yukio Tamura.

Mwandishi anayewasiliana: Bingchao Zhang, School of Civil Engineering, Chongqing University; bingchao.zhang@cqu.edu.cn.

Mchango sawa: Hakuna taarifa ya mchango sawa/waandishi wa kwanza wenza iliyotambuliwa katika PDF chanzo.

Uhusiano wa taasisi: School of Civil Engineering, Chongqing University, China; State Key Laboratory of Climate Resilience for Coastal Cities, Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong SAR, China; Chongqing Engineering (Group) Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, China; The Bartlett, Faculty of the Built Environment, University College London, London, United Kingdom; Center for Low-Altitude Wind Engineering (cLAW), State Key Laboratory of Safety and Resilience of Civil Engineering in Mountain Areas, China; Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), China.

Aina ya chanzo: Utafiti wa kihandisi wa nambari unaotegemea CFD; preprint inayoungwa mkono na uthibitishaji wa prototipu ya majaribio ya awali na uthibitishaji wa benchmark.

Hali ya mapitio rika: PDF inaeleza wazi “This preprint research paper has not been peer reviewed”; toleo lililochunguzwa halijapitiwa na rika.

Jukwaa: SSRN.

Namba ya SSRN abstract: 7624358.

DOI: 10.2139/ssrn.7624358.

Tarehe ya kuchapishwa kwenye SSRN: 17 Oktoba 2026.

Jarida / juzuu / toleo: Faili iliyochunguzwa si version of record ya jarida; taarifa ya jarida, juzuu na toleo haitumiki kwa preprint hii.

Kiungo rasmi: https://ssrn.com/abstract=7624358

Tofauti katika rekodi ya bibliografia: PDF iliyopakiwa inaandika majina ya waandishi Yongfei Zhao na John Calautit kwa namna hii. Rekodi ya meta ya wavuti ya SSRN inaonyesha watu hao kama “Yong Fei Zhao” na “John Calautite”. Katika makala hii ya Verianla, uandishi wa majina katika PDF iliyopakiwa umetumika kama msingi; tofauti haijafichwa.

Leseni: Hakuna leseni ya Creative Commons inayoruhusu wazi matumizi tena ya vielelezo vya makala iliyotambuliwa katika PDF iliyopakiwa na rekodi ya bibliografia ya SSRN iliyothibitishwa. Kwa hiyo picha za CFD za chanzo, picha za prototipu na miundo ya grafiki hazikunakiliwa; mahusiano ya kisayansi yameelezwa upya kwa HTML/SVG na majedwali huru.

Programu: ANSYS Fluent 2025 R1.

Kitatua: Pressure-based steady-state RANS; standard \(k-\varepsilon\); standard wall functions; SIMPLE; second-order upwind.

Dhana kuu: Hewa isiyobanwa, mtiririko isothermal, mlinganyo wa nishati haukutatuliwa, buoyancy haikujumuishwa, uingizaji wa hali-tulivu, nyuso thabiti za no-slip.

Convergence: Kwa vipengele vya kasi \(10^{-4}\); kwa continuity, \(k\) na \(\varepsilon\) \(10^{-3}\); pamoja na sharti kwamba kiwango cha mtiririko wa usambazaji kisionyeshe mabadiliko ya kimfumo katika iteresheni za ziada.

Tabaka la mpaka wa anga: \(U_{ref}=4,257\ \mathrm{m/s}\) @ 12 m; \(k_{ref}=0,7115\ \mathrm{m^2/s^2}\); \(\alpha=0,232\); kasi ya kuingilia ya 5,0 m/s kwenye urefu wa 24 m.

Jengo la marejeo la ukubwa kamili: 12 m × 12 m × 24 m; uhamisho wa mizani mara 150 wa jiometri ya modeli ya AIJ.

Computational domain: 252 m × 144 m × 486 m.

Mielekeo ya upepo unaokuja: 0°, 22,5° na 45° katika uchoro wa façade wa jengo pekee.

Msingi wa majaribio wa prototipu: Prototipu ya awali ya flap-fin ya mizani ndogo ilijaribiwa katika handaki la upepo lililo wazi na jaribio la mazingira ya nje katika kampasi ya University of Nottingham. Data hizi si utendaji wa moja kwa moja wa majaribio wa mfumo wa façade wa ukubwa kamili katika makala hii.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kwamba data zinazounga mkono matokeo ya utafiti zinaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi anayewasiliana kwa ombi lenye sababu.

Ufadhili: National Natural Science Foundation of China, Project 52221002; 111 Project of the Ministry of Education and the Bureau of Foreign Experts of China, No. B18062; Chongqing Municipal Joint Action Program for Enterprise Key Technology Development, CSTB2025TIAD-qykjggX0296; “Belt and Road” iUNRC Innovation Fund / Fundamental Research Funds for the Central Universities, 2024CDJYDYL007; New Chongqing “One Plan” Outstanding Scientist Project, CSTB2024YCJH-KYXM0053.

CRediT / michango ya waandishi: Hakuna CRediT authorship contribution statement tofauti iliyotambuliwa katika PDF iliyopakiwa.

Mgongano wa maslahi: Hakuna taarifa tofauti na wazi ya competing interests / conflict of interest iliyotambuliwa katika PDF iliyopakiwa. Kwa hiyo, taarifa isiyokuwapo katika chanzo kwamba “hakuna mgongano wa maslahi” haikuongezwa.

Kikomo kikuu cha kimetodolojia: Usanidi wa façade wa ukubwa kamili ulitathminiwa chini ya hali za CFD za jengo la mraba lililotengwa, anga neutral, mtiririko wa hali-tulivu na isothermal. Jaribio halisi la jengo la ukubwa kamili, thermal buoyancy, anga non-neutral, athari za majengo ya jirani, miundo ya transient gust/vortex na mwendo wa flap wa nguvu havijathibitishwa katika utafiti huu.

Ufaafu wa Verianla Live / Live Figure: Unafaa kwa kiasi. Mtiririko wa ABL wa marejeo → upepo wa eneo wa façade → mwitikio wa kifaa → kiwango cha mtiririko kinachotabiriwa unafaa kama uhuishaji wa mchakato wa source-derived wenye vigezo vilivyowekwa. Matokeo ya chanzo A/B/C yanaweza pia kuhuishwa kama ulinganisho source-faithful. Mtumiaji hapaswi kuruhusiwa kuzalisha matokeo mapya ya CFD kwa kubadilisha vigezo vya kimwili.