基于零方程湍流模型的非等温城市区域热环境的模拟研究

摘要

过去二十多年来，国内外大多数研究采用RANS两方程湍流模型和LES模型来研究城市区域环境，由于城市区域环境的复杂性和较大的空间尺度，两种计算方法需要特别大的计算机资源，因此如何能够快速而又有效地预测非等温城市区域环境成为本研究的主要目标。本文首先分析目前城市风热环境的研究方法、城市环境CFD模拟技术、建筑外表面对流换热系数以及城区区域污染物对流传输的影响等研究进展，提出了本文的主要研究内容:(a)提供优化的零方程湍流模型(Zero-EQ)，(b)研究不同街谷和建筑群分布的建筑外表面对流换热系数分布，(c)证明优化的零方程湍流模型以及壁面温度和对流换热系数组合的边界条件能够快速有效地预测城市热环境，(d)研究城市区域环境污染物对流传输的影响。详细的研究内容如下:
　　本研究通过研读大量的参考文献和归纳总结长期的CFD计算经验，提出了城市区域环境CFD模拟设置常用的设定方法，包括湍流模型的选择，数值误差的确定，计算区域的设置，计算网格的划定，以及计算边界条件的设定等，建立了简化的CFD模拟设定分类，提供给研究者一些理论和经验的总结。
　　本研究选用风洞实验对零方程湍流模型进行优化，分析实验数据，推导出优化的湍流涡粘度表达式，应用新的优化的湍流模型与风洞实验数据进行验证和分析。结果表明，在同等计算机配置下，Zero-EQ能够比MMK湍流模型快60％以上，是LES计算所需时间的1/10，同时Zero-EQ能较准确地预测多栋建筑周围流场的分布。考虑到重复不同工况风洞实验的局限性，本研究首先选择RANS两方程湍流模型来预测不同建筑群分布的流场分布，得到不同建筑群基于应变率和局部速度大小的涡粘度表达式（Zero-EQ2和Zero-EQ3）。利用上述风洞实验的研究结果(Zero-EQ1)，选用不同的建筑群分布，对比三种模型的模拟结果与MMK湍流模型预测数据的优劣，得到Zero-EQ2和Zero-EQ3比Zero-EQ1更能够快速有效地预测建筑群周围流场分布的结论。
　　本研究利用CFD模拟计算的方法对不同城市街谷高宽比(H/W)和不同平面面积密度（λp）建筑群分布（并行式和交错式）的室外表面对流换热系数进行研究，推导出不同建筑分布状况下的对流换热系数表达式，hc=（a+bH/W）Uc10和hc=(a+bλp)Uc10。选用风洞实验数据，和现场测试（宾夕法尼亚州立大学校园某学生公寓）数据，获取足够的计算边界条件和验证数据，减少计算区域网格，通过设置对流换热系数和温度边界作为壁面计算条件，来间接验证对流换热系数的准确性;应用零方程湍流模型计算城市街谷的热环境，得到与风洞实验吻合较好的数据，比RANS两方程湍流模型快一倍的速度，证明了其在工程应用领域的优势，同时指出零方程湍流模型对于浮力流动预测的局限性。另外，本研究中计算得到的对流换热系数表达式能够为今后继续能耗模拟研究提供足够的研究依据。
　　本研究利用以上研究成果:优化的零方程湍流模型和建筑外表面的对流换热系数，研究二维城市街谷和三维建筑群的热环境对污染物浓度的影响。首先利用RNG湍流模型研究二维城市街谷的不同壁面受热条件下自然对流环境、混合对流环境和强迫对流环境下的速度分布、温度分布和污染物分布。由于零方程湍流模型不能较好地预测浮力流动，三维建筑群只选择强迫对流为主的热环境，选择入口与壁面温度差分别为ΔT=0℃和ΔT=10℃的两种边界条件，通过分析建筑群周围污染物的分布，验证了其快速预测污染物分布的准确性。最后本文选择成都市蒲江县寿安镇的某一生态建设项目，根据当地气象条件，通过研究寿安旧城区目前城市规划情况下的夏季城市热环境，分析不同区域的热环境特点，提供给新城区规划设计一些建议。EnergyPlus能耗计算最后应用于某一学生公寓建筑，来研究考虑周边建筑环境对流换热系数表达式的实用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究问题的提出

1．3 国内外研究现状综述

1．3．1 城市热环境的研究方法

1．3．2 城市环境CFD模拟技术的研究

1．3．3 建筑外表面对流换热系数的研究

1．3．4 城市区域环境污染物对流传输的模拟研究

1．4 本文研究的主要内容与研究方法

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 研究拓扑图

第2章 大气边界层理论基础及城市区域研究概论

2．1 大气边界层平均速度和温度轮廓线分布

2．1．1 幂函数规律的速度轮廓线分布

2．1．2 对数规律的速度轮廓线分布

2．1．3 温度轮廓线分布

2．2 大气边界层湍流特性

2．2．1 湍流雷诺应力和湍流强度

2．2．2 湍流动能和耗散率

2．3 建筑区域分类研究

2．3．1 平面面积密度和迎风面面积密度分布

2．3．2 城市地形区域分布类型

2．4 小结

第3章 湍流模型理论和城市环境的CFD模拟设定

3．1 湍流模型

3．1．1 RANS

3．1．2 Zero-EQ

3．1．3 LES

3．2 CFD模拟设定

3．2．1 计算模型

3．2．2 计算区域

3．2．3 计算网格

3．2．4 边界条件

3．2．5 其他

3．3 小结

第4章 基于风洞实验的零方程湍流模型的优化研究

4．1 风洞实验

4．1．1 风洞实验介绍

4．1．2 风洞实验数据

4．2 零方程湍流模型的湍流涡粘度表达式的推导

4．2．1 基于风洞实验数据的湍流涡粘度的计算

4．2．2 优化的湍流涡粘度表达式

4．3 对比验证分析

4．3．1 预先的CFD模拟设定

4．3．2 优化的CFD模拟设定

4．3．3 结果与分析

4．4 小结

第5章 基于MMK模型优化的零方程模型的研究

5．1 优化湍流模型研究的基本思路

5．1．1 优化零方程湍流模型的必要性

5．1．2 优化研究的基本思路

5．2 规则的建筑群分布研究

5．2．1 计算模型和工况描述

5．2．2 CFD模拟设定

5．2．3 湍流涡粘度表达的推导

5．3 对比不同优化策略下的零方程湍流模型的应用

5．3．1 计算模型的选择

5．3．2 CFD模拟设定

5．3．3 结果与分析

5．4 小结

第6章 建筑外表面的对流换热系数模拟研究

6．1 建筑外表面对流换热系数的CFD验证

6．1．1 风洞实验介绍

6．1．2 CFD模拟设定

6．1．3 验证结果分析

6．2 城市街区峡谷建筑外表面的对流换热系数研究

6．2．1 城市街谷模型

6．2．2 CFD模拟设定

6．2．3 结果与分析

6．3 并行式分布建筑群建筑外表面的对流换热系数研究

6．3．1 并行式建筑群分布模型

6．3．2 CFD模拟设定

6．3．3 结果与分析

6．4 交错式分布建筑群外表面的对流换热系数研究

6．4．1 交错式建筑群分布模型

6．4．2 CFD模拟设定

6．4．3 结果与分析

6．5 小结

第7章 建筑外表面的对流换热系数的验证研究

7．1 对比验证方案

7．2 风洞实验验证分析

7．2．1 风洞实验模型

7．2．2 CFD模拟设定

7．2．3 结果与分析

7．3 现场测试实验

7．3．1 现场测试实验介绍

7．3．2 实验设备

7．3．3 测试结果初步分析

7．4 热平衡量方程计算

7．5 CFD模拟验证

7．5．1 计算模型

7．5．2 CFD模拟设定

7．5．3 结果与分析

7．6 小结

第8章 城市区域环境污染物对流传输的模拟研究

8．1 城市区域热环境对污染物影响模型的建立

8．1．1 二维城市街谷计算模型

8．1．2 三维建筑群计算模型

8．1．3 CFD模拟设定

8．2 二维城市街谷热环境对于污染物对流传输的研究

8．2．1 自然对流环境

8．2．1 混合对流环境

8．2．1 强迫对流环境

8．3 三维建筑群分布的城市热环境对于污染物对流传输的研究

8．3．1 不考虑热效应的污染物浓度分布

8．3．2 考虑热效应的污染物浓度分布

8．4 小结

第9章 零方程湍流模型和对流换热系数的应用研究

9．1 零方程湍流模型应用研究

9．1．1 成都市蒲江县寿安镇低碳生态建设专项规划介绍

9．1．2 CFD模拟设定

9．1．3 结果与分析

9．2 对流换热系数应用研究

9．2．1 计算模型介绍

9．2．2 能耗模拟软件参数设定

9．2．3 结果与分析

9．3 小结

第10章 全文总结和今后的研究展望

10．1 全文总结

10．2 研究不足和今后的研究展望

致谢

参考文献

附录1 用于计算雷诺应力的FORTRAN源代码

附录2 用于计算湍流涡粘性系数的MATLAB源代码

附录3 用于PHOENICS运行优化的零方程湍流模型的部分源代码

附录4 用于PHOENICS运行优化的零方程湍流模型的步骤

附录5 用于PHOENICS产生大涡模拟入口边界条件的FORTRAN源代码

附录6 用于PHOENICS后处理大文件的FORTRAN源代码

附录7 用于工作站进行大涡模拟ANSYS FLUENT 12．0的相关计算文件

附录8 用于Auto CAD建模及导入PHOENICS的方法和步骤

附录9 用于Godgle Sketchup建模及导出．st1格式文件的方法和步骤

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果