基于 CFD 的住宅建筑特朗勃墙新型肋片配置热工水力性能数值评估

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：CFD-based numerical evaluation of novel rib configurations for improving Trombe Wall thermo-hydraulic behavior in residential buildings

　　

**摘要**

尽管特朗勃墙系统为降低建筑能耗提供了可持续的解决方案，但其热效率在很大程度上受到传统光滑风道固有的低对流换热能力的限制。为应对这一挑战，本研究对特朗勃墙风道中三种不同肋片结构插入件——螺旋形、半圆形和梯形——的传热强化效应进行了三维数值研究。利用ANSYS Fluent软件，在过渡流至湍流的雷诺数范围（Re = 2500至4500）内开展了稳态CFD模拟，并以光滑风道作为基准。评估指标包括平均努塞尔数、压降以及热性能评价指标（PEC）。此外，还通过参数化分析评估了螺旋圈数（N = 1至4）的影响。结果表明，螺旋形插入件具有最优越的热液压性能，在Re = 2500和Re = 4500时分别实现了1.52和1.64的PEC值。在最低雷诺数下，螺旋形构型在PEC方面分别比半圆形和梯形设计高出约17%和38%；然而，由于湍流混合占主导地位，在较高流速下这些性能差距有所缩小。在参数化研究中，N = 4的螺旋构型在Re = 2500时达到了最高PEC值1.99。对于更高的圈数，PEC对雷诺数表现出非单调依赖性，因为液压惩罚的快速上升削弱了高流速下的热学优势。最终，这些发现表明，具有最大圈数的螺旋形插入件在特朗勃墙的被动传热增强方面非常有效，在低雷诺数下效果最为显著，此时几何诱导的涡旋混合占主导地位。

**引言**

全球能源需求不断增长以及化石燃料燃烧带来的日益严重的环境影响，激发了人们对可再生能源和被动式能源系统的研究兴趣，这些系统可以在不损害热舒适性的前提下降低建筑部门的能源依赖性。目前，建筑大约占全球能源消耗量的30%–40% [1]，其中很大一部分归因于空间供暖，尤其是在寒冷和温带气候条件下。在此背景下，被动式太阳能供暖技术已成为极具吸引力的解决方案，具有双重优势：既可以利用免费的可再生能源（太阳辐射），又能够消除或大幅减少对主动机械供暖系统的依赖 [2]。在过去几十年开发的被动式太阳能设计策略中，特朗勃墙（TW）以其在广泛的气候条件和建筑类型中均展现出可靠的热性能，成为技术最成熟且研究最广泛的构型之一 [3]。

特朗勃墙是一面朝南的热质量墙，通常由混凝土、砖、石材或相变材料建造，与外层玻璃幕墙之间通过一条狭窄的空气间隙或风道分隔，太阳能加热后的空气通过浮力驱动的对流自然循环，或在辅助变体中通过强制流动循环 [4]。穿过玻璃幕墙的太阳辐射被大面积深涂层墙体吸收，使其表面温度升高，进而加热相邻的空气柱 [5]。这种由热驱动或强制的 airflow 随后通过墙体顶部和底部设置的对流风口，或通过墙体质量本身的导热，将热能输送到室内生活空间，其储存的热量以具有特征时间滞后的方式释放，可用于傍晚或夜间供暖 [6]。特朗勃墙概念的固有简洁性——无需运动部件、无需制冷剂、除太阳辐射外无需外部能源输入——使其成为全球净零和低能耗建筑策略中极具吸引力的组成部分 [7]。

传统特朗勃墙虽然概念优雅，但存在一个公认的热学缺陷：玻璃幕墙与吸热墙之间狭窄空气风道中的对流换热系数相对较低，限制了从加热表面提取热能并输送到室内环境的速度 [8]。沿光滑风道壁面形成的薄热边界层，加上典型风道几何形状中浮力驱动 airflow 主要表现为层流或弱湍流的特性，导致换热速率远低于在给定温差和风道几何条件下的理论最大值 [9]。在强制对流型特朗勃墙变体中，这种低效性进一步加剧，因为光滑风道施加的压降限制了在给定风扇功率预算下可实现的风速，从而在对流换热增强和液压惩罚之间形成了一种张力，直接影响整体系统效率 [10]。传统光滑风道构型的这些固有局限性，强烈推动了被动式传热增强策略的研究，这些策略可以在不产生不成比例压降惩罚的情况下改善对流性能 [11]。

为了克服这些局限性，大量研究集中于特朗勃墙空气风道的被动式传热增强技术，借鉴了内部流动传热增强的更广泛领域 [12]、[13]。在这些技术中，最有效且几何灵活性最强的之一是向空气风道中引入表面粗糙度元件、翅片、挡板或肋片型插入件，这些元件可以破坏热边界层、促进流动分离和再附着、产生纵向或横向涡旋，并增加有效换热表面积，所有这些都有助于相对于光滑风道基准显著提高对流努塞尔数 [14]、[15]。早期关于太阳能空气加热器和建筑一体化热系统中肋片粗糙风道的研究表明，对风道壁面进行相对简单的几何修改，可以使努塞尔数相对于光滑风道提高100%–300%，但同时伴随着摩擦系数和压降的按比例增加 [16]、[17]。任何给定增强几何形状的综合热液压效益，最严格地通过热性能评价指标（PEC）来表征，PEC定义为增强后的努塞尔数与光滑风道努塞尔数之比的三分之一次方，除以相应摩擦系数比的三分之一次方，在等泵功约束下评估 [18]、[19]、[20]。PEC值超过1表示净热液压增益，使其成为在一致的能耗条件下比较竞争性增强几何形状的标准基准 [6]、[21]、[22]。

进一步的研究探索了热相关风道流动中日益多样化的肋片和插入件几何形状，包括横向肋片、V形和W形肋片、扭曲翅片、三角翼片、凹坑表面、螺旋插入件及其组合 [23]、[24]、[25]。其中，产生流向涡旋的几何形状，尤其是螺旋形和螺旋线配置，因其能够同时促进整体流体混合、减薄热边界层并在较长的风道长度上维持湍流强度而不产生与钝头横向肋片相关的回流死区，而受到了广泛关注 [26]、[27]。大量关于太阳能空气加热器和换热器的研究表明，螺旋形和螺旋线插入件几何形状由于对穿流施加了持续的旋转运动，其PEC值优于更简单的二维肋片配置 [28]、[29]。然而，螺旋形和替代曲率肋片几何形状在特朗勃墙空气风道中的系统性应用，以及在代表建筑一体化强制对流系统的流动条件下，与更简单的基准几何形状的热液压性能对比评估，在已发表文献中仍然相对缺乏探索，这代表了本研究致力于填补的明确空白。

Hu等 [30] 开发了一种集成特朗勃墙系统，结合多通道光伏百叶窗（MPVBTW）和嵌入式相变材料，以解决传统设计中的过热和单一功能局限性。为了分析传热并确定最佳运行条件，该团队创建、验证并使用了计算流体力学（CFD）模型。对比测试表明，新的MPVBTW设计显著优于替代系统，在夏季和冬季均实现了更高的热舒适度增强因子并产生了更多的电力。最终，该研究证明了该系统在改善发电、供暖性能和室内热舒适度方面的成功。

Friji等 [31] 研究了通过向空气腔中集成内部金属翅片来增强传统特朗勃墙热性能的方法。为评估该方法，团队开发了一个全尺寸实验原型，并对从2到6个翅片的配置进行了数值模拟。数据显示，六翅片配置的热效率达到32.6%，显著优于无翅片的基准设计（仅达到18.2%）。由于实验和数值结果高度一致，研究结果证实增加翅片可以提高太阳能利用率。最终，这种综合评估为翅片数量如何影响被动式供暖效率提供了一种新颖且全面的理解。

Salhi等 [32] 进行了三维CFD分析，研究肋片密度和几何形状如何影响特朗勃墙的热效率。在将模拟与实验数据进行验证后，结果表明，肋片表面通过扰乱边界层和促进涡旋形成显著增强了传热。数据显示，最优的五个肋片配置使努塞尔数提高了68.3%。此外，虽然三角形肋片提供了最高的热增强效果，但产生了显著的摩擦惩罚，而半圆形肋片则在热性能和热流之间成功地取得了最佳平衡。最终，研究得出结论，这些特定的肋片配置有效地优化了接近零能耗建筑的特朗勃墙效率。

Salhi等 [33] 进行了数值研究，探讨不同肋片密度和几何形状如何影响特朗勃墙的热流体力学性能。分析表明，五个肋片的配置实现了68%的传热增长，且摩擦损失可接受，而更高的肋片密度则导致过度的流动阻力。虽然交叉半圆形肋片提供了最高的传热效果，但产生了显著的压降惩罚。最终，间隔排列的半圆形设计提供了最佳的整体热增强因子，研究将五个肋片的间隔半圆形配置确定为被动式太阳能应用的最优配置。

Essid和Al Adel [34] 研究了通过向特朗勃墙系统的太阳辐射吸收器添加垂直翅片来提高效率的方法。为评估该方法，团队开发了一个瞬态三维CFD模型，分析了改进设置后的能量、?和经济性能。模拟结果显示，翅片增强了自然空气涡旋，形成了结构化的回流模式和低压区域。因此，带翅片的系统实现了61.45%的能量效率和3.35%的?效率。此外，生命周期成本分析显示最佳成本约为900美元，投资回收期为0.7年。最终，该研究证实了棱柱形垂直翅片在仅需最少财务投资的情况下成功改善了系统性能。

Duan等 [35] 开发了一种新型特朗勃墙系统的二维数值模型，集成了发电、空间供暖和空气净化功能，以解决传统设计的单一功能局限性。利用CFD模拟，该团队评估了系统在不同结构参数和环境条件下的性能。结果表明，太阳辐射和空气入口温度显著影响整体性能，数据确定了0.2米的最佳风道宽度，以最大化热效率和灭菌效率。此外，该系统在高太阳辐射区域表现出最佳效率，灭菌效率达到0.53，能量利用率高达52.9%。最终，该研究得出结论，这种集成设计成功实现了可持续建筑立面的同时发电、供暖和空气净化。

Kandilli等 [36] 对一种创新的复合特朗勃墙（CTW）系统进行了实验和数值分析，该系统使用天然沸石-珍珠岩复合板作为热质量。这一新型设置成功结合了天然沸石的高比热容和珍珠岩的低热导率，以优化热储存和保持。为模拟自然对流和传热动力学，团队开发并验证了一个综合CFD模型。结果显示，室内外最大温差为11.5°C，证明了该系统提高能源效率和室内热舒适度的能力。最终，该研究展示了在被动式太阳能供暖系统中使用可持续、本地取材材料的实用性，并为环保建筑技术建立了新的标杆。

受这些空白所驱动，本研究对装有三种新型肋片结构插入件几何形状的特朗勃墙空气风道中的传热增强进行了全面的三维CFD研究：螺旋形插入件、半圆形插入件和梯形插入件。所有模拟均使用ANSYS Fluent求解器，在雷诺数范围2500–4500内进行，代表了风扇辅助特朗勃墙系统典型的过渡流至湍流强制对流条件。

三种几何结构的传热-水力性能通过平均努塞尔数（Nu）、努塞尔数比（Nu/Nu?）、压降（ΔP）和传热-水力综合评估准则（PEC）进行评价，其中光滑平直通道作为水力与传热的基准参考。此外，针对性能最优的螺旋插入件开展了专门的参数化研究，系统地将螺旋圈数从N = 1变化至N = 4，从而对螺旋密度对四项性能指标的影响进行定量评估。通过对CFD计算结果中提取的温度分布等值线进行进一步分析，提供了关于产生上述性能趋势的流体混合机制和热边界层破坏机理的物理洞察。本文余下部分组织如下：第2节描述物理几何和计算域；第3节介绍控制方程、湍流模型方法、边界条件和网格独立性分析；第4节报告并讨论数值结果；第5节总结主要结论并提出未来研究建议。

**问题说明**

特朗贝墙（TW）是一种被动式太阳能加热系统，利用入射太阳辐射加热内部空间而无需机械能输入。该系统基于太阳能热收集原理工作，通过朝南的透光玻璃幕墙后方的热质量蓄热墙实现，蓄热墙通常由混凝土、砖块或石材等高密度材料建造，两者之间设有一个狭窄的空气通道。通过外层玻璃传递的太阳能辐射——

**数值过程**

本工作使用k-ω SST模型对拟议特朗贝墙中的湍流流动与传热进行模拟。所应用的以下控制方程[37]、[38]、[39]为：

连续性方程：
?(ρu?)/?X? = 0

动量方程：
?(ρu?u?)/?X? = -?P/?X? + ?/?X?[μ(?u?/?X? + ?u?/?X?)] - (2/3)δ??(?u?/?X?) + ?/?X?[-ρ·u'?u'??]

能量方程：
?(u?E)/?X? + P = ?/?X?[k + Cpμt/Prt·?T/?X?] + u?τ????? = 0

其中，湍流粘性、湍流普朗特数和有效应力张量分别用μt、Prt和τ?????表示。E同样代表总能量。E和τ?????的影响因子——

**网格独立性分析**

在完整参数化模拟之前，进行了系统的网格独立性研究，以确保数值结果不依赖于空间离散化，并且计算网格能够在不产生过度计算开销的前提下提供足够精确的解。对于基准通道几何结构，我们生成并评估了七种结构化网格配置，网格数量逐步增加，范围从约200,000到1,600,000个单元，在——

**结论与未来展望**

本研究对配备三种新型肋片结构插入件的特朗贝墙空气通道中的传热增强进行了全面的三维CFD调查，包括螺旋插入件、半圆插入件和梯形插入件，以及作为未增强基准的光滑平直通道。所有模拟均在ANSYS Fluent求解器中完成，雷诺数范围为Re = 2500至Re = 4500，代表从过渡态到湍流的强制对流条件。

**CRediT作者贡献声明**

王少鹏：撰写——初稿，正式分析。张润娜：概念化，软件。张鹏：调查研究。Ahmed Mohsin Alsayah：验证，数据管理。Adel Almarashi：正式分析，方法学。Gharam A. Alharshan：概念化，资源。Rajat Sharma：撰写——审阅与编辑，资源。Husam Rajab：可视化，调查研究。Narinderjit Singh Sawaran Singh：方法学，撰写——审阅与编辑。

**资助**

邢台科技计划，砂浆-混凝土装饰复合材料开发与性能研究，2024ZC077。作者感谢努拉公主本特·阿卜杜勒拉赫曼大学研究者支持项目编号（PNURSP2026R173），沙特阿拉伯利雅得努拉公主本特·阿卜杜勒拉赫曼大学。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

王少鹏 | 张润娜 | 张鹏 | Ahmed Mohsin Alsayah | Adel Almarashi | Gharam A. Alharshan | Rajat Sharma | Husam Rajab | Narinderjit Singh Sawaran Singh