建筑空间热分层理论及应用研究

摘要

热分层对于降低建筑能耗、改善室内空气品质和提高热舒适度具有重要意义，是同步实现建筑有效用能和有效改善人工环境的关键因素，因而成为建筑环境与能源领域的研究热点之一。建筑空间热分层效应是空气运动过程中一种难以把握的复杂现象，如何有效地利用热分层尚缺乏可靠的数学仿真模型，还需要解决诸多的理论问题。
　　在数学模型研究方面，本课题从热分层的基本理论研究入手，首先，揭示了热分层作用下的湍流运动规律，改良了常规的高 Re数湍流涡黏模式；其次，研究了热分层与室内负荷/能耗的关联性，从分布参数角度提出了一个预测热分层建筑室内负荷的简化数学模型—区域模型，最后针对气流湍流状况与热分层空间HVAC负荷的高度关联性、两者数学模型的良好互补性，进而提出了将湍流与区域模型耦合的数学仿真新方法。
　　本课题首先指出了室内热分层湍流区别于常规各向同性湍流的特殊性与复杂性，着重研究了常规的充分湍流的EVM/EDM（Eddy viscosity model/Eddy diffusivity model）模型的不足，分别探讨了Reynolds应力和湍流热通量、湍流黏性系数及湍流Prandtl数的热分层修正方法，总结出了热浮力和剪切应力耦合作用下的热分层湍流机理，还简要讨论了室内不稳定热分层作用下的湍流现象。
　　基于RNG（Renormalization group）湍流模式理论架构的严密性，本文从其对热分层的适应性入手，对其进行了必要改良，最后在 RNG良好的理论框架内构建了一个改进模型—RNG k-ε-A模型。同时，对近壁区无因次速度、湍流参数分布计算方法进行了热分层适应性改良，提出了一个复合壁面函数。新湍流模型结合新壁面函数具有较高的可靠度和理想的经济性，能满足建筑热分层环境的准确的数值仿真和评价。
　　基于目前“单点”热平衡的集总参数法掩盖热分层对建筑负荷/能耗影响的现实状况，本课题又从适度分布参数目标出发，提出并完善了一种基于室内热分层的分区热、质平衡模型—热分层区域模型，明确了其中空气层温差换热系数的物理意义，给出了其与空气层湍流水平相关的新定义，解决了热分层条件下的室内负荷计算和能耗预测的问题。
　　单一的湍流模型或区域模型计算应用缺乏完备的参数条件，因而不能有效地进行室内环境评价与建筑能量模拟，而 CFD/NHT（Computational fluid dynamics/Numerical heat transfer）与区域模型之间恰好在计算条件上具有良好的互补性和高度的依赖性。基于此，本课题提出了将两个尺度数学模型耦合起来应用的新方法，研究了耦合模拟的数据传递、耦合方案等问题，为热分层建筑的环境与能量的有效预测、评价提供手段。
　　以上述的数学模型研究为基本框架，本课题进行了广泛的模型验证工作，并采用所建数学模型对建筑空间的热分层效应进行了应用研究。
　　在模型验证方面，本课题采用盐水模型和空气足尺实验对典型室内热分层现象进行了实验研究，获得了室内热分层规律的相关数据，有效验证了热分层的湍流数学模型。本课题还广泛应用文献中的热分层 LES（Large eddy simulation）和实验数据对新建湍流模型进行了深入考核和验证。对区域模型的验证则采用了实验数据和CFD仿真结果相结合的办法，对其中的两个关键参数（空气层温差换热系数和表面对流换热系数）给出了准确的数值解析方法，有利地克服了区域模型的经验性。
　　在应用研究方面，本课题首先采用新湍流模型对热分层的内波效应、污染物扩散效应及室内负荷折减效应进行了应用研究：建立了室内热分层物理稳定性的简化热力学判据，确定了内波的理论计算公式，并采用数值手段捕捉到了稳定热分层内波频率与横流产生的低频波；研究了室内热分层对污染物扩散影响；对空调的室内负荷折减系数进行了定义，通过数值手段计算了地板送风系统的室内负荷折减系数。上述应用研究为解决热分层湍流数值仿真的困难、深入认识热分层空间室内空气品质和挖掘热分层的节能效率提供了理论依据。另外，本课题采用区-场耦合模拟手段对高大空间分层空调环境进行了应用研究，分析了上部通风对空调区热环境及负荷的影响，并给出了高大空间上下热量迁移与空调区负荷的计算方法。
　　本课题的研究内容包括热分层湍流的理论研究、湍流数学模型的改良与验证、热分层区域模型的建立与验证、区-场耦合模拟的基本理论与方法以及针对建筑空间热分层的应用研究，采用了理论、数值和实验相结合的研究方法。课题研究的突出意义在于建立起了室内热分层湍流规律与建筑能量、室内环境的内在关联性，提供了现代建筑环境与能量预测、评价的理论框架。

目录

建筑空间热分层理论及应用研究

REASEARCH OF THE THEORY OF THERMAL STRATIFICATION IN BUILDINGS AND ITS APPLICATIONS

摘要

Abstract

目 录

CONTENTS

第1 章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 建筑空间热分层理论及应用研究的现状

1.3 课题的研究内容及论文结构

第2 章 室内热分层湍流运动的机理

2.1 热分层湍流的基本理论

2.2 稳定热分层对Reynolds 应力及热通量的修正

2.3 稳定热分层对湍流黏滞系数的影响

2.4 稳定热分层对湍流Prandtl 数的影响

2.5 不稳定热分层的湍流效应

2.6 本章小结

第3 章 室内热分层湍流模型的改良研究

3.1 RNG 湍流模型基本特点

3.2 RNG 湍流模型对热分层低Re 数流动的适应性

3.3 RNG 湍流模型的改良

3.4 复合壁面函数的提出

3.5 RNG 新湍流模型数值测试和考核

3.6 复合壁面函数的数值测试和考核

3.7 本章小结

第4 章 室内热分层现象的实验研究

4.1 室内热分层对流的模型实验

4.2 室内热分层对流的足尺实验

4.3 本章小结

第5 章 RNG-A 湍流模型及复合壁面函数的验证

5.1 湍流模型数值计算方法

5.2 基于盐水模型实验数据的验证

5.3 基于空气实验数据的验证

5.4 基于大涡模拟的验证

5.5 基于经典热分层湍流实验的验证

5.6 本章小结

第6 章 基于RNG-A 新模型的室内热分层效应研究

6.1 室内热分层的物理稳定性及内波预测

6.2 室内热分层作用下的污染物扩散

6.3 室内热分层作用下的负荷折减率

6.4 本章小结

第7 章 建筑热分层环境的区域模型法

7.1 室内区域模型及热分层适应性

7.2 热分层建筑空间的区域模型

7.3 热分层区域模型的经验参数测试

7.4 本章小结

第8 章 建筑热分层环境区域模型的验证

8.1 小空间热分层的实验验证与CFD 辅助验证

8.2 区域模型的CFD 数值验证法

8.3 高大空间区域模型的数值验证

8.4 本章小结

第9 章 热分层建筑空间区-场耦合模拟理论与方法

9.1 区-场耦合模拟的基本思想

9.2 区-场耦合模拟的耦合方案

9.3 区-场耦合模拟的传递数据

9.4 区-场耦合模拟的流程和实现

9.5 本章小结

第10 章 区-场耦合模拟的测试与实施

10.1 数据传递方法的测试

10.2 边界层流态的测试

10.3 区-场耦合模拟的举例实施

10.4 耦合计算对初始参数的敏感性

10.5 本章小结

第11 章 高大建筑空间区-场耦合模拟的应用研究

11.1 上部自然通风对分层空调热环境的影响

11.2 上部自然通风进口高度设计

11.3 高大空间的热量迁移与空调区得热

11.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历