组合式太阳能烟囱通风性能数值研究及其优化

摘要

随着社会的进步和人民生活水平的提高，能源的消耗越来越大，环境污染越来越严重。建筑能耗在社会总能耗中所占的比例越来越大，我国建筑能耗已占总能耗30％以上。面对能源消耗和环境问题，建筑行业节能已成为一个研究热点。太阳能烟囱就是通过利用太阳能和风能实现建筑内自然通风，进而消除室内余热、余湿，改善建筑室内空气质量的一种有效措施。在实际中应用的太阳能烟囱，不可避免会受到室外风速和风向的影响，风压和热压的耦合作用对太阳能烟囱通风性能有重要的作用。本文对不同结构参数（太阳能烟囱斜面长度与宽度）和室外参数（室外风速与热流密度）的组合式太阳能烟囱在风压与热压耦合作用下的自然通风性能进行了数值模拟研究;在此基础上提出了带百叶结构的组合式太阳能烟囱，并对其性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了风压与热压共同作用下的组合式太阳能烟囱数学和物理模型;确定了考虑其室外风场的计算区域;生成复杂计算网格，并进行网格独立性考核;数值计算结果与实验模型进行对比，验证数学模型和物理模型的可靠性。⑵通过数值模拟分析，风热压耦合作用下的组合式太阳能烟囱通风量随烟囱宽度的增加而增加，但其增加幅度逐渐减小的;通风量随烟囱倾斜长度的增加而增加。⑶组合式太阳能烟囱进口截面风速随烟囱宽度和斜面长度的增加而增加，但是在烟囱宽度增加时，进口截面风速在进口高度方向减小;同时，在烟囱宽度和斜面长度增加时，烟囱出口速度和出口温度增加。⑷在改变室外参数的条件下，组合式太阳能烟囱通风量和出口风速随室外风速和热流密度的增加而逐渐增加;烟囱进出口压差和温差随热流密度的增加而增加。⑸对组合式太阳能烟囱进行优化，提出带百叶的组合式太阳能烟囱，即在玻璃墙上装上百叶窗及挡风转向板。该结构有效利用室外风，对烟囱内空气形成诱导作用，从而增大烟囱内通风速度，使得其自然通风性能大大增强。与不带百叶的组合式烟囱相比，在室外风速为0～3m/s范围内，优化结构的通风量最大可增加70.1％。⑹对于优化结构的组合式太阳能烟囱，在相同的工况下，烟囱通道内温度场与流场都优于未优化结构的烟囱;优化结构组合式太阳能烟囱的风速明显高于未优化结构，如在相同热流密度下，即使未优化结构烟囱所处环境中室外风速较大，优化结构所处环境室外风速较小，优化结构的烟囱内部空气流速也会明显高于未优化结构，说明在组合式太阳能烟囱结构进行优化后，室外风压对烟囱的通风量的影响明显增加。当优化结构的太阳能烟囱在室外风速v为2m/s时，W=100mm部位的速度为0.91m/s，而未优化结构的太阳能烟囱在室外风速为3m/s时该部位的速度仅为0.75m/s，速度相差20.3％。⑺对于优化的组合式烟囱，当百叶片角度增加时，室外风在呈一定角度的叶片和挡风转向板的作用下，对烟囱通道内的空气形成诱导作用，增强通道内通风量;随热流密度增加，优化的组合式太阳能烟囱出口温度增加;在室外风速增加时，其出口的温度减小。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题学术背景及意义

1．2 课题的研究现状和研究的方法

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究的内容

第二章 组合式太阳能烟囱的通风原理

2．1 自然通风的机理

2．1．1 热压作用下的自然通风

2．1．2 风压作用下的自然通风

2．1．3 热压与风压耦合作用下的自然通风

2．2 组合式太阳能烟囱自然通风机理分析

2．3 本章小结

第三章 数值计算模型及方法

3．1 GAMBIT建模介绍

3．2 数值模拟软件FLUENT介绍

3．2．1 FLUENT软件的组织形式

3．1．2 FLUENT软件模拟计算的步骤

3．2 数值模拟方法

3．2．1 模拟中的假设

3．2．2 数值计算中的控制方程及求解

3．3 紊流RNGk-ε模型

3．4 壁面处理方法

3．6 控制方程的求解及方程收敛判据

3．6．1 控制方程的求解

3．6．2 控制方程收敛判据

3．7 本章小结

第四章 风热压耦合作用下组合式太阳能烟囱性能研究

4．1 物理模型的建立和计算区域的确定

4．1．1 物理模型的建立

4．1．2 计算区域的确定

4．2 网格的划分及独立性考核

4．3 模型有效性验证

4．4 边界条件和数值计算方法

4．4．1 边界条件

4．4．2 数值计算方法

4．5 结果分析

4．5．1 组合式太阳能烟囱宽度对通风性能的影响

4．5．2 组合式太阳能烟囱倾斜部分斜面长度对通风性能的影响

4．5．3 组合式太阳能烟囱出口速度

4．5．4 组合式太阳能烟囱进出口压差

4．5．5 组合式太阳能烟囱进出口温差

4．6 本章小结

第五章 组合式太阳能烟囱的优化及其性能研究

5．1 优化的组合式太阳能烟囱结构及其通风原理

5．2 局部温度场对比分析

5．3 局部速度场对比分析

5．4 优化结构与未优化结构通风量对比分析

5．5 优化结构与未优化结构烟囱出口速度对比分析

5．6 优化结构与未优化结构烟囱竖直部分一半高度处截面速度对比分析

5．7 优化结构烟囱的通风性能研究

5．7．1 不同百叶窗位置的通风性能

5．7．2 不同百叶叶片角度性能

5．7．3 优化后通风量随热流密度的变化关系

5．7．4 不同热流密度下出口温度

5．7．5 不同风速下出口温度

5．7．6 不同室外风速下烟囱出口风速

5．7．7 不同热流密度下烟囱出口风速

5．8 本章小结

第六章 结论及后续工作建议

6．1 本文的主要研究工作总结

6．1．1 风热压耦合作用的组合式太阳能烟囱的通风性能

6．1．2 优化的组合式太阳能烟囱的通风性能

6．2 后续工作建议

参考文献

致谢

攻读学位期间成果