空气动力学和微环境

主题报道Aerodynamic Microclimate空气动力学和微环境文/俞金晶马也旻 Cagla Gurbay Prajish VinayakYU Jinjing MA Yemin Cagla Gurbay Prajish vinaya摘要∶建筑的首要目的之一是给人创造一个舒适环境的庇护所。然而,持续的自然和人为因素的变化对人的舒适度产生了互动式响应的需求。直到今天使用空调系统来调节室内空间舒适度是比较普遍的方式,但本文根据流体动力学和自然通风率计算的引导方式和技术提出以g风引起的自然通风作为更好的选择,在多个室内微环境中响应人的使用流动变化。提出的论点是通过封闭空间的形态演变和混合形态的构建系统一起实现一个整体性能驱动的建筑030关键词:人的舒适性、多样的微环境、遗传学找形、空气动力学、互动材料体系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给人提供舒适的庇护所H中国煤化工境气候的变化。本研究课8占题主要关注通过多孔性的动态表皮系统调节筑室CNMH需求。整个系统整合风的影响、人体舒适性和建筑界面响应这三个因素和与之相关联的建筑、环境和结构的思考。在特定的气候条件下,占以自然通风效率为主要策略,根据空间中人群占有量导致温度和湿度的变化作出相应的变化。在设计阶段将建筑室内微环境与周遭大气环境的相互关系纳入思考中,而不是在最后阶段为了提供人群相对的舒适环境而付出巨大的代价人体舒适度是建筑设计性能评估的基本要素之一。热舒适度在自然环境和人为因素影响下的持续变化为建筑创建动态响应提供了必要性。迄今为止,对于波动的舒适度要求,使用机械空调系统控制室内的环境是一种普遍的决方案。据美国能源部公布的能源消耗,在热带气候区,建筑用于冷却能源总量占总能源量的39%。而且,过多依赖机械系统可能会对健康造成不良的影响和结果,这种现象称为病态建筑综合征(SBS)。本方案提议的是一个低能耗高效率的方案,由材料性质变化引起形态变化而形成的动态表皮系统来控制自然通风,调节建筑室内的微环境从而实现人特定的舒适度需求(图1)。2室内细部湓染照片果逐步优化的,其中研究的类型是定量的;有限元结构分析被用于形态几何物理分析和受空气动力限制的组件和整体结构性能设计的过程中;计算控制系统中包括接受湿度、温度和风压强感应器的数据和计算分析数据的代码,控制材料的性质从而满足空间质量变化的动态需求。在材料研究中,记忆合金和胶合板的合成方法为整个系统提供了应用可行性(图2-3)二、设计过程1.自然通风在过去60多年中,自然通风已经被科学详细地分析,并已被证明是能够代替机械来控制舒适性和维持空气质量的有效方式。内部空气的流动主要是根据风速的大小和开口的策略形成的压力差而形成的,基于这一原则,自然通风被分为风压和热压通风。由于热压通风在小规模项目中影响甚微,因此风压通风被视为在特定室内空间中形成多个微环境最有效的通风技术。伯努利原理是依赖于流体的流量和压力在建筑表面形成不同的流体势能从而形成通风,且在速度大的地方压力小,束度小的地方压力大。基于风压通风主要根据表面的压力差和开口,特定的数学公式被用于制定一项战略以优化建筑形式和开口通风性能,从而实现最大通风率。通过研究和实验得出,只有当空隙率在低于23%的封闭总表面面积下,才可以考虑在表面上的压强系数来实现风压通风( Karava,2008)。第一个公式中考虑的换气1模型照片S单位,它实质上是指在一个限定的空间内,空气替次数是取决于开口的截面积大小和空间体积的关系。、设计方法整个系统的设计是基于自然通风能平衡人的舒适度的基础上展开的。主要ACH=(3600 U*CAo)/Volume()运用遗传算法,有限元结构分析和适应性材料测试等技术,分别解决建筑∪-速度的流体(空气」中国煤化工形态、曲面细分和动态感应。自然通风的原理方法及其数学公式作为风引CA0-开口截面积CNMHG起的对流通风的基本概念被运用到设计过程中。流体计算动力学(CFD) Volume-封闭空间的体积巨更装是本研究的基础,遗传算法即形态计算演变的过程是根据CFD的计算结另一个公式是通过通风流量(Q)(西瓦库玛,2012)密闭空至三主题报道和气流在建筑表面上形成的压力系数,作为一种方法来优化建筑物的封闭形态及在其表面上开口部分的位置,以更好地实现通风效CpW= PW-Pref/(1/2)*p*(Uref) 2CpL=PL-Pref/(1/2)*p*(Uref) 2(3)CpW-迎风面的压力系数cpL-背风面的压力系数Pref-参考压力P-空气密度Uref-参考速度影响自然通风效率的因素有两个:一,表面上压强差大的位置通风效率会高;二,低的湍流动能通风效率会高。同时在热带气候区室内空间0.4m/s-2m/s的风速,变换空气里低于32℃的温度和65%的湿度,是人相对比较舒适的条件。3模型细部照片2.建筑形态进化-遗传算法在自然界中,自下而上的涌现现象通常是形式出现的原始策略。压力诱导自然通风作为遗传算法的准则,用于结合涌现和行为演化,以一个简单的形态作为开始,根据预先确定的信息开始发育演化。在我们的案例中被定义为三个不同的空间形态,032根据压力的不同、组织空间结合方式以及形态的逐步演化的过程为进化过程。系统的复杂性不单来自单个组件的复杂性,同时包括复杂的规则设定。在生物学中,这种规则被命名为基因组的行为。在内部和外部因素共同作用下,进化的基因组是通过突变和自然选择以实现更高的效率和更好的表现(图4)。今④今Population IPopulation‖lPopulation IlPopulation IVPopulation VH中国煤化工CNMHGCp/e FITNESS CRITERION TO BE MAXIMIZED: VENTILATION RATE(Cp)/TURBULENT KINETIC ENERGY(Te)4遗传算法演化过程及选择将表面上的控制点视作基因,控制点可以在一定的三维空间内移动以产生不同的形态变化。通过原始基因和突变基因的繁殖,产生了5个种群,将进风口毎个种群通过计算机流体分析(CFD)对通风流速和湍流强度进行性能评估。第一个衡量标准是根据单向为6ms的风在表面上形成高压强差以增强室内的通风流速和准确的开口位置的设置;第二个衡量标准是根据建筑板材(结构)形式的外部形态尽量减少两侧和背侧湍流动能(TKE)来确保流出的流体不被影响。在场地和功能的定义下,考虑空间体积、基座面积和高度限制的情况下,有三个高效率的形式作为潜在的最终形态被选出(图5)绝缘套管动态部分记忆合金(SMA动片(切割胶合板6组件各层材料组合5纽件控制风速CFD测试4.复合材料的组件特性3.组件系统的风性能考虑到在不同环境条件下作出响应的必要性,该材料逻辑被定义为具有动通过组件对风速控制也可以实现人体舒适度的需求。根据计算流体动力学态响应功能的复合材料系统。各向异性特征的胶合板和镍/钛合金的热反实验设置和测试来确定组件的尺寸范围。合适的风速是从外侧的6m/s减应特征为所需的动态响应提供了一个复合材料系统(图7)小为2ms。此外,为获得更高效率的空气流量计算,通过的开口应该是单向的。最初对组件的剖面进行了测试,同时组件的最大尺寸由于双向气组件动态部分的概念来自有重叠区域的花瓣,重叠区域可以减小由风引起流在一定程度上的影响也进行了最大可能性的测试。只要保持进风口面积的振动。复合材料组件动态的“花瓣”为被切割图案并可弯曲的胶合板,和出风口面积在1:3的关系,就可以将6ms的风速减为2ms,同时构和两组包裹有绝缘套管的记忆合金,分别控制组件开口的打开和关闭,并件的边界和深度不受风速变化影响。连接到低电压电源。同时用绝缘和软性的薄硅胶来封住胶合板层的开口图案,将记忆合金夹在胶合板和硅胶中间。文丘里效应进一步证明在取得适当比例的基础上,横截面面积成比例地减少会增加速度。当流量(Q),即体积流速为恒定的速度()的入口的横截面面积(A1)时,乘法运算的速度(v2)的出口的横截面面积(A2)必须相等。Qm31s)=v(ms)A1(m2)=v2(ms)A2(m2)(4)对于该项目的特定目标是组件的出口面积需要减少空气速度从=6ms到v2=2ms7组件打开和闭合Ⅵ·A1=v2·A26·A1=2·A215cm的形状记忆合金在500-800的热处理下得到具有12圈、34圈3·A1=A2和整圈曲率的初始形态(图8)。此外,根据杨氏模量的物理方程,促使结论,出风口的动态组件的横截面面积应该是进风口截面面积的三倍。同变形的应力与弯中国煤化工的。同时截面积的大小时还研究了在一个盒子进风口位置和出风口位置不同的情况下,盒子内部取决于切割图CNMHG长度,通过进行不同的产生不同的风速和流体的分布,实验得出需要在最大压力差的迎风面和背切割模式试验,预凋在现头情下,想要头现弯曲形状,需要直径约为风面有相同的开口面积来驱动自然通风(图6)0.8mm的4条形状记忆合金串联,并与6mm的胶合板结合。主题报道Disp DY(mm)百【 Mecrerococeard s【龌w【。图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盐aAmpere: 3AAmpere: 3AAmpere: 3AAmpere: 3AVoltage: 2.7VVoltage: 2.5VVoltage: 2.8VVoltage: 2.6V8杨氏模量应用测试5.表皮细分和结构优化在保证通风开口要求的前提下进行表皮细分,并对组件系统进行内应力测试从而调整其深度,以提高材料的利用率并优化其结构。比较三边形、四边形和六边形这三种细分形式,得出在相同的表面面积的情况下,六边形的材料使用效率是最高的。四边形和六边形有相似的打开面积,但是,四边形的形变程度要小于六边形,因此决定用四边形和六边形组成的混合结构。另一方面,因为材料是木材,而木材的物理强度性质受纹理方向的不同而改变。根据般木材的特性,垂直于木材纹理的承受力是最小的,所以分析了结构片的轴向力,并根据轴向力的值034来调整得到结构的深度(图9选择形态曲率分析通风口设置结构受力分析等分六边形尺寸调整-曲率尺寸调整-通风四边形替换9形态细分过程将以上两个初始的研究,运用到整个形态的一般六边形细分中,加入通风效率高的位置和曲率这两个因素来调整表面细分,同时通过结构分析,将受压力比较大部分替换为四边形,最后得到的混合结构的形变比之前调整的毎一步都小。根据轴冋力分析得到的比例,调整岀三个不同深度来测试最终的材料厚度和深度的关系。最后得到,在这样的建筑尺度下,12mm厚和0.2m-1,m的深度是材料使用率和形变率最合适的尺度。6.计算控制系统在自然通风的物理现象中,计算控制系统的智能决策体现出了优异的适应能力。通数诩辑析的逻辑,提高反动态组件系统的反应能力(图10)。在现实中有三种不同的感应器,分别是温度、湿度和风中国煤化工应室内空间人的舒适程度;风压感应器感应表皮上压强差最大的位置。然后 Arduino中的代码可以分析接CNMH电能来决定多少构件需要打开和关闭,哪些构件需要先打开以达到最高的通风效率(图11)。里h10适应性系统所需组件11 Arduino板连接细部中国煤化工CNMH主题报道AJOINTS(PATTERNED CUTSTRUCTURAL PLATESINLET PLATES12CNC切割图形036系统的中央处理器 Arduino板在5∨的电压下工作,毎隔5秒便会接收数据,若数据不同便会作岀相应的调整,使室内的微环境保持平衡般情况下,所需要的驱动电流为3-4A,驱动时间约10-15s。对于每个组件,6片在同一时间被驱动需要1Ω的电压。因此,在整个系统中每个驱动将消耗约60000J能量(图12)。7.数字建造整个建筑的建造是可通过电脑数字控制完成的,毎一个木片的尺寸和节点的角度都不同,因此在电脑中对木片进行分类和数据编辑,通过CNC精确的切割后,可按照编号迅速地进行装配。最终选取建筑的—部分按照1:2的比例来建造,总共16个组件,包括238片不同尺寸的木片和415个不同角度的节点进行CNC切割。总计2天CNC切割,2天装配,以及2天记忆合金装配幸中国煤化工CNMHG13建逵过程结语开发的技术被应用到一个特定的形式,通过遗传算法找形,有限元结构分析表皮细分和材料的测试性应用,将实现室内与人占有量相联系的微环境和动态的自然通风建筑的互动关系。最后,对整个选定的形式的三个空间——前台、展厅和办公室进行通风效率可能性测试;通过计算控制系统实验模拟了现实中建造并实现的可行性;同时物理模型很好地证明了结构上的合理性(图13-15)。14整体模型渲染图片15剖面及CFD测试中国煤化工CNMHG作者简介俞金晶,马也旻, Cagla Gurbay( Turkey), Prajish Vinayak( India)/英国建筑联盟学院, Architectural Association, EmTech