浓度边界条件下非稳态自然对流传热基础研究

摘要

浓度边界条件下的自然对流传热问题是传热学领域的一个基础问题，同时也是建筑节能墙体传热问题研究的基础，不仅为建筑节能墙体的应用与开发提供参考，而且对降低建筑能耗、实现建筑节能具有重要意义。
　　首先，采用数值计算方法研究了不同浓度边界条件对瞬态自然对流传热的影响。数值计算结果表明:当两梯度同向时，水平和垂直温度分别高于参照组2.4K和1.4K;流场稳定时间缩短近750s，边界流速提高约0.0006m/s;(-Nu)数比参照值大3，自然对流传热强度有所提高。当两梯度逆向时，水平和垂直温度分别高于参照组2K和1.2K，腔体内温度场和流场发生了反转;流场稳定时间缩短近250s，边界流速降低10倍，中心流速增加15倍;而数比参照值大63，自然对流传热强度明显增强。当两梯度交叉时，水平和垂直温度变化区间分别为20K和5K;空气流速大约高出其他情形流速3个数量级;(-Nu)数仅为6，自然对流传热强度微弱，整个传热过程以导热为主。
　　其次，通过实验研究了不同浓度边界条件对瞬态自然对流传热的影响。实验结果表明:无论两梯度是同向还是逆向，达到新的稳态阶段的时间均在5000s左右，相比参照组，非正规状况阶段时间分别缩短100s和300s。当两梯度交叉时，非正规状况阶段时间为500s，温度变化具有波动性，很难达到稳定状态。实验结果与数值计算的温度变化趋势基本一致。
　　最后，以辽宁阜新地区（严寒地区）常见民用建筑外墙为例，对浓度边界条件下周期性自然对流传热问题进行研究。研究发现:夏季工况下，墙体内部会出现流动停滞现象，使流场发生反转，而冬季工况此种现象不明显。当t=4-16h时，墙体内空气呈逆时针流动，空气流速在12h时最大;当t=16-20h时，墙体内空气流速减小并发生停滞现象;当t=20-24h时，空气流动方向发生了反转，墙体内空气呈顺时针流动。反转的流场会反作用于温度场，进而影响温度场的二次分布。浓度变化只影响了室内和室外的抹灰层，保温层和承重主体本身的相对湿度为0。墙体传热过程体现了建筑外墙的热惰性。
　　综上，论文得到了浓度边界条件与自然对流传热强度的关系;设计并搭建了含浓度边界条件自然对流传热实验台，揭示非正规状况阶段温度随时间的变化现象;发现了夏季辽宁阜新地区墙体内部流场从逆时针流动到停滞再到顺时针流动的现象。墙体内流动停滞引起的流场反转现象有助于缩短夏季室内温度控制设备的使用时间，在设备运行前期确定室内温度控制设备的启停，以实现降低建筑能耗和室内温度预控的目的。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究意义与背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

1．4 本文主要工作

1．5 创新点说明

2 基本理论与模型建立

2．1 引言

2．2 基本理论

2．2．1 自然对流

2．2．2 非稳态传热

2．3．1 物理模型

2．3．2 数学模型

2．3．3 控制方程组的无量纲化

2．4 求解方法的选择

2．4．1 传热问题的研究方法

2．4．2 数值求解方法

2．5 计算方法校验

2．5．1 网格独立性检验

2．5．2 步长无关性检验

2．6 本章小结

3 浓度边界条件下瞬态自然对流传热的数值计算

3．1 引言

3．2 不含浓度边界条件的瞬态自然对流传热数值计算

3．3 浓度边界条件下瞬态自然对流传热数值计算

3．3．1 温度梯度与浓度梯度方向相同

3．3．2 温度梯度与浓度梯度方向相反

3．3．3 温度梯度与浓度梯度空间交叉

3．4 浓度边界条件对瞬态自然对流传热的影响

3．4．1 对流场和温度场的影响

3．4．2 对自然对流传热强度的影响

3．5 本章小结

4 浓度边界条件下瞬态自然对流传热的实验研究

4．1 引言

4．2 实验内容

4．2．1 实验目的

4．2．2 实验装置

4．2．3 实验步骤

4．2．4 实验数据的不确定度分析

4．3 不含浓度边界条件的瞬态自然对流传热实验研究

4．4 浓度边界条件下瞬态自然对流传热实验研究

4．4．1 温度梯度与浓度梯度方向相同

4．4．2 温度梯度与浓度梯度方向相反

4．4．3 温度梯度与浓度梯度空间交叉

4．5 实验数据与模拟数据的对比分析

4．6 本章小结

5 辽宁阜新地区(严寒地区)建筑节能墙体传热研究

5．1 引言

5．2 气象数据的处理与边界条件确定

5．2．1 气象数据的采集

5．2．2 气象数据的函数化处理

5．2．3 边界条件的确定

5．3 墙体传热模型的建立

5．3．1 墙体基本参数

5．3．2 模型建立

5．4 计算结果分析

5．4．1 流场和温度场的变化

5．4．2 温度和相对湿度与墙体传热的关系

5．4．3 各监测点在不同时刻的温度变化

5．4．4 浓度边界条件对墙体传热的影响

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历

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