建筑房间风压自然通风阻力特性实验及数值研究

摘要

建筑风压自然通风是充分利用自然条件来改善室内空气环境，从而降低建筑能耗的最有效的方法。
　　建筑风压自然通风主要影响因素有建筑绕流、建筑体型、开窗方式及室内阻力分区等，当自然风通过建筑房间时，伴随着气流分离和漩涡运动，其流动机理很复杂，所以建筑自然通风的阻力特性、通风率预测是自然通风领域的难题之一，人们一直在致力于该领域的研究。
　　本课题围绕建筑风压自然通风的预测，在前人已有的研究基础上，针对建筑房间风压自然通风阻力特性以及通风率的预测模型的建立作了进一步地研究。
　　本课题综合利用风洞模型实验、管流模型实验、PIV实验和大涡数值仿真技术，围绕相对开窗单区和双区房间自然通风的阻力特性和通风流率的预测的相关问题展开研究。
　　进行了风洞模型实验，得到自然通风条件下房间模型的开窗迎风面、背风面、房间内部表面的静压以及对应的通风率。实验工况涉及单区房间、双区房间隔墙门在中间、双区房间隔墙门在一侧以及不同开窗面积大小的组合，每个工况进行不同来流速度的测试。
　　进行了管流模型实验，得到了管流条件下房间模型的进风口、出风口、房间内部断面之间的静压差以及对应的通风率。实验工况涉及单区房间、双区房间隔墙门在中间、双区房间隔墙门在一侧以及不同开窗面积大小的组合，每个工况进行不同来流速度的测试。
　　进行了PIV模型测试，得到通风房间的速度矢量分布。实验涉及单区房间、不同开窗组合。
　　通过风洞实验验证，建立了单区、双区自然通风房间大涡数值仿真模型。
　　通过风洞实验，分析了不同的开窗组合、单区和双区内部分布、不同的开口率对通风率，对流动阻力的影响，并分析了以上各条件下房间内静压分布。分析表明，当房间内部阻力沿气流方向不对称时，其流动阻力与前后开窗面积大小的相对位置有关；随着窗户开口面积增大，房间通风率增加，当开口率大于约25％时，增幅减缓；对于单区房间，沿着气流方向，房间静压力分布大部分是呈现先降后升的趋势，对于双区房间，前、后各区静压分布较均匀。
　　依据风洞实验，分析得到房间开窗流量系数和隔墙内门流量系数；探讨了流量系数特性，得到结论有，进风窗和隔墙内门的流量系数不随出风窗面积改变；当满足相似条件时，不随Re大小改变；流量系数随着开口率增大先减小再增大，开口率11.1%为最小点等。
　　结合得到的流量系数和实验数据，分析得到通风当量面积，在此基础上研究得到实验条件下的单区和双区房间的自然通风率的预测模型。
　　应用大涡数值仿真模型，对不同房间尺寸的流场进行了计算分析，研究房间尺寸改变对通风率的影响规律。研究表明，对于不同进深房间，进深小，迎风面和背风面的风压系数差大，再加上房间的通风阻力小，则房间建筑绕流自然通风能力强；双区房间，隔墙在房间中间位置时，房间流率最大，隔墙靠近进风窗或出风窗，房间流率都会减小。
　　通过大涡数值仿真，针对不同进深及不同隔墙位置的房间条件进行了通风率的计算，与实验得到的通风率预测模型的计算结进行了对比，数据基本吻合。
　　通过管流模型实验，分析了模型房间阻力大小、流量系数、压差和通风率的关系等。分析表明，当进口、出口开口率约为10%到50%之间时，开口流量系数与雷诺数基本无关；同时，穿堂通风进口流量系数与出口面积基本无关；这个结论与风洞实验结果相同。另外得到进风窗和隔断门的流量系数与对应的风洞实验结果不同的结论。
　　本研究最后通过PIV实验对气流通过房间的流场速度分布有了清楚地认识。
　　本文的主要内容包括对相对开窗单区和双区自然通风房间的阻力特性、流量系数及特性、通风率等进行了研究，提出了单区房间，特别是双区房间风压自然通风通风率的预测模型。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究任务

第二章 房间风压自然通风风洞实验

2.1 风洞设备及测量系统

2.2 实验设计

2.3 实验工况

2.4 实验结果及分析

2.4 本章小结

第三章 房间通风率预测模型的建立

3.1 流量系数

3.2 通风当量面积及通风率预测模型

3.3 本章小结

第四章 不同房间尺寸对通风率的影响

4.1 数值模型

4.2 实验验证

4.3 不同房间尺寸对通风率的影响

4.4 本章小结

第五章 房间管流阻力特性和室内流场PIV实验

5.1 实验系统建立

5.2 实验工况

5.3 房间阻力和流率的关系

5.4 流量系数

5.5 管流中房间阻力特性

5.6 室内流场-PIV实验

5.7 本章小结

结论及展望

本文的主要工作和结论

论文创新点

展望

参考文献

附录1

附录2

附录3

附录4

附录5

附录6

攻读学位期间取得的研究成果

致谢