带热源工业厂房自然通风的数值模拟

摘要

自然通风除了能够有效地实现室内环境的降温，还能够节约常规能源、减少环境污染。同时还可以将新鲜空气引入室内并及时地将污染物排出，极大地改善室内环境品质。随着工业产品质量高品位化的需求和人们物质文化生活水平的不断提高，对工业厂房内环境质量的要求也越来越高。很多地区的工业厂房在夏季和过渡季节都采用自然通风形式，以节约建筑运行能源、降低生产成本。因此，如何作好厂房的自然通风设计，已成为厂房设计急需解决的关键课题。
　　 由自然通风热压作用的原理可明显看出，厂房自然通风设计的原则应该是尽量设法降低中和面的位置。原因有如下两点：一、中和面的位置低，就意味着由室外进入厂房内的新鲜空气，绝大部分或全部都流经作业区范围。显然，这对降低作业区温度、提高作业区空气质量，即提高自然通风效果，将起着决定性作用。二、中和面的位置越低，排气口距离中和面的高度值就越大，则排气压力就越大。在排气量一定的前提下，增大排气压力就意味着可减小排气口即天窗开口面积。不言而喻，减小天窗开口面积，必然对减少厂房结构断面、降低厂房土建工程投资起到较大的作用。由此，我们可以合理的调整和确定厂房进、排气口位置和面积以及热源等参数，使得自然通风的效果达到最优，这对厂房的设计有着重要的指导意义。
　　 首先，本文采用CFD技术对某钢铁厂房的自然通风过程进行了数值模拟研究。采用Realizableκ-ε湍流模型及DO辐射模型对该工业厂房的流场和温度场进行了数值计算，计算结果与文献中实验值的对比吻合很好，验证了本文模型和计算方法的可靠性。在此基础上进一步对该厂房的热源分布、天窗进风口和排风口结构的优化设计对自然通风效果的影响做了计算，结果表明适当的减小排风口高度以及缩短生产线热源的间距等能够在一定程度上改善自然通风的效果。
　　 其次，本文以具有典型几何特征的自然通风工业厂房模型为模拟对象。在其热源不变的情况下，分别改变进风口面积、进风口离地高度、矩形天窗喉部开口面积以及排风口面积等建筑结构参数，对各计算工况下的速度场、温度场进行分析，得出了热分布系数m的变化规律，以及通风量、进排风温差、热分层高度等特征参数的变化规律，讨论了厂房结构参数对其自然通风效果的影响机理。
　　 最后，在工业厂房建筑结构参数不变的情况下，改变其热源空间分布形式。分别对厂房内热源的空间位置，热源集中和分散程度以及热源的架空高度等因素进行了详细的数值模拟，分析和总结了在不同热源分布形式下自然通风的优劣和具体特点。研究结果为工业厂房自然通风设计提供了理论依据，具有重要的工程指导价值。

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外研究及其应用现状

1.3 课题研究目的、意义及价值

1.4 课题研究的方法和要做的工作

1.4.1 自然通风的主要研究方法

1.4.2 课题研究所要做的工作

第二章 自然通风的理论机理

2.1 自然通风的作用力

2.1.1 风压作用下的自然通风[60]

2.1.2 热压作用下的自然通风[60]

2.1.3 风压和热压共同作用下的自然通风

2.2 自然通风中和面理论

2.2.1 中和面的定义

2.2.2 中和面高度的计算

2.3 热分层高度

2.3.1 热分层高度的概念

2.3.2 热分层高度求解公式

2.4 热分布系数m

2.5 通风效率

第三章 模型的建立及采用的数值方法

3.1 模拟对象概况

3.2 数值模拟的模型选定及设置

3.2.1 湍流模型

3.2.2 湍流模型对近壁处的处理

3.2.3 辐射模型

3.2.4 流体物性

3.2.5 运算环境设定

3.2.6 求解器的设定

3.2.7 边界条件的设置

3.3 网格的划分

第四章 数值模拟与实验的对比研究

4.1 厂房描述

4.2 模拟的结果与分析

4.2.1 实验与模拟结果的比较

4.2.2 速度场分布

4.2.3 温度场分布

4.3 对厂房进一步改进后的模拟结果分析

4.4 本章小结

第五章 数值模拟结果与分析

5.1 进风口高度对厂房自然通风的影响

5.1.1 数值模拟结果

5.1.2 工作区平均温度，进排风温差及通风量随进风口高度的变化规律

5.1.3 速度场分布

5.1.4 温度场分布

5.1.5 热分布系数m的变化规律

5.1.6 小结

5.2 排风口高度对厂房自然通风的影响

5.2.1 数值模拟结果

5.2.2 工作区平均温度，进排风温差及通风量随排风口高度的变化规律

5.2.3 速度场分布

5.2.4 温度场分布

5.2.5 热分布系数m的变化规律

5.2.6 小结

5.3 矩形天窗喉部开口宽度对厂房自然通风的影响

5.3.1 数值模拟结果

5.3.2 工作区平均温度，进排风温差及通风量随喉部开口宽度的变化规律

5.3.3 速度场分布

5.3.4 温度场分布

5.3.5 热分布系数m的变化规律

5.3.6 小结

5.4 进风口离地面高度对厂房自然通风的影响

5.4.1 数值模拟结果

5.4.2 工作区平均温度，进排风温差及通风量随进风口离地面高度的变化规律

5.4.3 速度场分布

5.4.4 温度场分布

5.4.5 热分布系数m的变化规律

5.4.6 小结

5.5 热源中心离厂房中心的距离对厂房自然通风的影响

5.5.1 数值模拟结果

5.5.2 工作区平均温度，进排风温差及通风量随热源中心离厂房中心的距离的变化规律

5.5.3 速度场分布

5.5.4 温度场分布

5.5.5 热分布系数m的变化规律

5.5.6 小结

5.6 热源分散程度对厂房自然通风的影响

5.6.1 数值模拟结果

5.6.2 速度场分布

5.6.3 温度场分布

5.6.4 热分布系数m的变化规律

5.6.5 小结

5.7 空间热源离地面高度对厂房自然通风的影响

5.7.1 数值模拟结果

5.7.2 速度场分布

5.7.3 温度场分布

5.7.4 热分布系数m的变化规律

5.7.5 小结

第六章 全文结论与工作展望

6.1 论文结论

6.2 论文后续工作与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢