具有不同壁面填充几何构型的3D打印建筑围护结构的气热性能：CFD建模与风洞验证

《Building and Environment》：Aero-thermal performance of 3D-printed building envelopes with alternative wall infill geometries: CFD modelling with wind-tunnel validation

　　

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  建筑尺度的CFD（计算流体力学）揭示了墙段模型所遗漏的气热效应。
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  连续空气间隙墙体相比实体墙将迎风面热通量降低了84–85%。
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  肋板热桥在热通量和CHTC（对流换热系数）中形成周期性热点条带。
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  CHTC随暴露程度变化：迎风面为13–14 W/m2K，背风面为7–7.5 W/m2K。
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  45°风向将对流从迎风面重新分配至侧面立面；朝向很重要。

章节摘要

引言与文献综述

根据《巴黎协定》限制温室气体（GHG）排放的目标，需要在经济各领域大幅降低能源需求和碳强度[1]。仅建筑领域就占全球终端能源使用的34%以上，以及直接和间接温室气体排放的约21%[2]。预测表明全球能源需求将继续上升[3]，这凸显了在建造成环境领域实施可持续解决方案的紧迫性[4]。

方法

本节描述了用于评估不同墙体填充几何形状3D打印建筑围护结构气热性能的CFD设置。所有模拟均在ANSYS Fluent中进行，采用稳态RANS[47]方法并结合经验证的湍流模型，以解析低层建筑周围的耦合气流和传热。

验证与确认

进行了验证与确认以确保CFD预测在数值上可靠（验证），并且在物理上能代表风驱对流换热（确认）。验证重点在于使用网格收敛指数（GCI）方法[64]进行网格无关性分析。确认分两个阶段进行：(i)与一个公认的壁面贴附立方体强制对流基准实验进行比较[65,66]，该实验广泛用于立面CHTC验证。

结果

本节分析了所研究的墙体类型在相同外部几何形状和风暴露条件下的建筑尺度气热行为，从而清晰区分立面气动效应与内部热阻及桥接机制。讨论首先解释了大气边界层流场，说明冲击、边缘加速和尾流形成如何重新分配各立面上的对流驱动。随后考察了内部填充。

几何形状如何改变气热传递的机制

3D打印围护结构的气热响应受外部强制对流与内部传热阻力之间的耦合相互作用控制，其中包括固体传导和热桥效应。由于所有案例中外部建筑几何形状保持不变，风场施加了大致相似的气动驱动力，其特征为迎风面滞止、前缘加速和背风面尾流形成。因此，关键在于。

结论

本研究的主要发现和设计相关见解总结于下。

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  开发了一套经验证的建筑尺度气热CFD工作流程。采用k-ω SST模型配合低雷诺数近壁处理，在校准热输入案例中与基准实验和风洞温度趋势再现了高度统计一致性（R = 0.88，NMSE = 0.0037，FB = 0.011，FAC2 = 1），支持其用于风暴露下的比较性设计评估。
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  立面暴露决定了平均对流，但并非。

CRediT作者贡献声明

Meruyert Sovetova：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据管理，概念构思。Sean Gip Lim：资源支持。Ling Xin Yong：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，调查研究。Yi Wei Daniel Tay：撰写—审阅与编辑，资源支持。Salah Almazmumi：验证，调查研究。Kemin Ding：验证。Hao Sun：验证。John Calautit：撰写—审阅与编辑，撰写—。

Meruyert Sovetova|Sean Gip Lim|Ling Xin Yong|Yi Wei Daniel Tay|Salah Almazmumi|Kemin Ding|Hao Sun|John Calautit|Ming Jen Tan