呼吸墙流动阻力与流量预测模型

摘要

近年来，呼吸墙作为集保温、通风及空气净化等多种用途于一体的新型建筑引风方式逐渐受到了科研人员的关注。相较具有高能源消耗率的机械通风而言，基于热压和风压等自然驱动力的呼吸墙引风方式具有很大的节能环保优势。呼吸墙诱导的通气量不仅关系呼吸墙的保温特性，同时影响其空气净化效果以及最终的室内空气品质改善功效。呼吸墙诱导的气流量与其系统的阻抗直接关联，在流动阻力与流量特性关系不十分清楚的情况下，难以完成呼吸墙的优化设计与科学运行维护。本文旨在建立预测呼吸墙通风量的理论关联式模型与计算流体力学(CFD)数值计算模型。
　　呼吸墙引风的驱动力包括热压、风压以及两者的共同作用。本文依据能量守恒及压力平衡方程，考虑太阳辐照强度、风压差及多孔填料厚度等参数对呼吸墙通风量的影响，建立呼吸墙内流动阻力与流量预测的计算关联式。此外，还以CFD为工具，基于RNGk-ε湍流模型及增强型壁面函数，同时应用描述多孔介质内压差与流量的Brinkman-Forchheimer扩展达西模型，对呼吸墙在耦合热压和风压作用下的系统内部流动特性进行了计算建模。为验算以上建模方法的合理性与计算精度，在实验室内搭建了呼吸墙测试装置，运用高精度微压计测定了呼吸墙内不同位置点的压力分布及系统通风量，并将实验数据与关联式及CFD计算结果相比较。
　　研究结果表明，CFD模型预测的通风量结果与实验测试数据吻合度良好，说明本文建立的CFD模型具有较高的计算精度和可信度，并可作为精确获取呼吸墙内各参量分布场的计算方法。准则关联式预测模型也取得了与实验测试数据较为一致的结果，虽然存在一定误差，但偏差值均在实验仪器的测试误差范围内。同时，理论关联式的计算过程非常简单，不需要大量的迭代计算，是一种快速有效预测通风量的计算方式。这两类模型均可对不同内部结构参数及外界环境参数的呼吸墙系统的诱导通风量进行有效预估，亦可对呼吸墙系统提供优化设计方案及运行策略指导。研究还发现:当热压单独作用时，呼吸墙接收得到的太阳辐射热量与流量的三次方成正比;当风压单独作用时，风压差与流量呈抛物线关系;当二者耦合作用时，流动阻力与流量的特性关系由驱动力的相对大小决定。与冬季相比，夏季条件下运行的呼吸墙系统可以获得较大通风量，其作用效果对于建筑室内空间的夏季通风而言较为理想。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．2．1 呼吸墙阻力-流量特性关系的求解策略

1．2．2 国内外有关呼吸墙预测模型的研究现状

1．2．3 呼吸墙预测模型目前存在的问题

1．3 本文的研究内容

2 呼吸墙模型的实验研究

2．1 实验模型及测试仪器

2．1．1 呼吸墙实验台

2．1．2 实验仪器及测试工况

2．1．3 误差理论及数据处理

2．2 实验测试结果

2．2．1 热压作用结果分析

2．2．2 风压作用结果分析

2．2．3 热压与风压耦合作用结果分析

2．3 小结

3 呼吸墙阻力-流量关联式预测模型

3．1 压力平衡方程与阻抗特性曲线

3．2 热压作用下流动阻力-流量关联式

3．3 风压作用下流动阻力-流量关联式

3．4 热压与风压耦合作用下流动阻力-流量关联式

3．5 小结

4 呼吸墙阻力-流量特性关系的CFD数值模型

4．1 数值模型与求解方法

4．1．1 基本控制方程

4．1．2 湍流模型方程

4．1．3 多孔介质阻力模型

4．2 模型建立及边界条件

4．3 模拟计算结果与分析

4．3．1 热压驱动工况的模拟计算

4．3．2 风压驱动工况的模拟计算

4．3．3 热压与风压共同驱动工况的模拟计算

4．4 小结

5 理论关联式与CFD预测模型的验证分析

5．1 热压独立作用下流动阻力-流量特性

5．2 风压独立作用下流动阻力-流量特性

5．3 热压与风压耦合作用下流动阻力-流量特性

5．4 小结

6 呼吸墙夏季结构流动阻力与流量预测

6．1 夏季工况下关联式预测模型

6．2 夏季工况下CFD数值模型

6．3 冬夏季工况下关联式与CFD预测结果对比分析

6．4 小结

结论

参考文献

附录A 改善室内环境的主动式呼吸墙系统

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢