包含外围护结构的室内环境CFD模拟

摘要

目前，使用计算流体动力学(CFD)对室内环境进行数值模拟时，有关墙壁表面的热边界条件给定较为困难。对于内墙壁面，若内墙的保温性能良好且所研究的房间与相邻房间之间不存在较大温差时，可将内墙壁面视为绝热表面。但对于外墙的内壁面，由于受墙体传热、内壁面与室内空气的对流换热以及与其它表面间的辐射换热作用，外墙内壁面的热边界条件非常复杂。获知准确的外墙内壁面热边界信息无论对于室内温度场、流场的计算以及能耗计算均具有重要意义。
　　本文提出一种简便且较易于操作的外围护结构热边界信息给定方法，将外墙与外窗包含到计算域中，这样只需给定外壁面的热边界信息作为边界条件，使围护结构内的热传导、内壁面与室内空气的对流、内壁面与室内空间的辐射传热、以及室内空气的热流动耦合在一起求解。受室外风的影响，外墙外壁面的温度或热流密度相对均匀，热边界条件的给定较为容易。同时，还可囊括室外气象参数如风速、室外干球温度等信息到计算建模中，并可考虑不同地域的太阳辐射效应。当算例不包含外窗时，可应用计算效率较高的角系数(surface to surface，S2S)辐射模型;而需要考虑透过外窗的辐射传热时，则使用功能更为强大的离散坐标(discrete ordinates，DO)辐射模型，DO辐射模型不但可以计算壁面与壁面之间的热辐射，还可以计算玻璃等半透明介质对热辐射的吸收作用，从而准确解算透过玻璃外窗的传热。本文针对某办公环境算例，分别将S2S与DO辐射模型耦合到热流动建模中，根据室外气象参数来给定外墙与外窗壁面的热边界条件，选用RNG k-ε模型来近似室内气流湍动效应，在室内固体壁面使用了精度较高的增强壁面函数。为验算室内辐射建模的合理性，还运用以上方法求解了某文献中的算例，将解算所获得的室内气流速度、空气温度以及热源表面温度与实测数据进行比较。
　　研究结果表明，耦合RNG k-ε湍流模型与S2S和DO辐射模型的解算方法可获得与文献中实测数据较为一致的室内流速、温度与热源表面温度。从包含外围护结构的解算算例中可以发现，外墙和外窗内壁面的温度和热流密度分布均较为不均匀，传统的将外墙或外窗视为均匀热边界条件的给定方式误差很大。外围护结构内壁面热流与温度的分布不仅与室内气流、热源分布有关，而且与室外气象信息密切相关。本文所提出的建模方法不但能够较为准确地获得外墙和外窗内壁面的温度和热流密度的空间分布，而且能够捕捉到外墙和外窗内部的热量传递信息。这些信息无论对于室内环境评价与分析还是对于围护结构的能耗评估均具有十分重要的价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 研究现状及存在的问题

1．2．1 建筑室内环境的研究方法

1．2．2 CFD热边界条件给定方法的研究现状

1．2．3 室内辐射传热模型的研究现状

1．2．4 半透明介质CFD模拟研究现状

1．2．5 存在的问题

1．3 本文的研究内容

2 室内环境数值模型及求解方法

2．1 基本控制方程

2．2 湍流控制方程

2．3 近壁面处理方法

2．4 控制方程离散方法

2．5 控制方程求解方法

2．6 小结

3 室内辐射建模及模型验证

3．1 CFD辐射模型

3．1．1 S2S辐射模型计算原理

3．1．2 DO辐射模型计算原理

3．2 算例简述

3．3 CFD建模

3．4 结果分析

3．5 小结

4 基于室外气象参数的热边界条件给定方法

4．1 太阳辐照模型

4．2 基于室外气象参数的热边界条件给定方式

4．3 算例描述

4．4 计算结果

4．5 热量平衡验算

4．6 小结

5 含外窗辐射的CFD模拟方法

5．1 算例描述

5．2 计算结果分析

5．3 小结

结论

参考文献

附录A 数据比对图

附录B 室内环境云图

附录C 冷负荷计算

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢