重庆大剧院室内外热环境数值模拟研究

摘要

近几年来，随着计算机大容量化和高速度化以及计算流体力学(CFD)的发展，逐步普及应用CFD技术模拟预测高大空间建筑空调系统的气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能。本文利用国际公认的CFD通用商业软件PHOENICS3.6.1，对重庆大剧院大空间空调方案的热舒适性与气流组织进行了模拟研究，所得研究结论为高大空间类建筑空调系统优化设计、预测气流组织等提供了理论依据和指导方法。 本论文的研究性质为利用CFD技术模拟山地城市临江大型建筑的室内外热环境。研究内容主要分为室内模拟研究与室外模拟研究。 室内模拟研究包括： ①对重庆大剧院的大剧场及中剧场的空调方案进行热环境数值模拟研究，并提出优化方案及修改建议。 ②对重庆大剧院的大剧场及中剧场的入口大厅进行热环境数值模拟研究，并提出优化方案及修改建议。 研究中对设计方提出的空调方案及工况进行模拟验证，经过模拟计算后，得出室内温度场、气流场(送风、排风气流组织情况)、空气龄、PMV值等直观的可视化图形和数据，再分别进行分析、比较和评价，选择最优方案或提出新的优化方案，对建筑结构和空调设计提出修改建议。 室外模拟研究包括： ①对重庆大剧院室外热环境进行实地测量，获取实测数据(各测点坐标、风速及其风向、气温、地表温度)，为数值模拟研究提供必要的边界条件。 ②对重庆大剧院室外热环境进行数值模拟研究。研究对夏季进行室外CFD模拟，获得了重庆大剧院室外模拟的建筑表面气压分布、压力场、风速场、温度场、空气龄及流线场等直观的可视化图形和数据。分析了模拟结果的优缺点，并分析产生有利及不利因素的原因，提出详规整改建议，作为设计的参考。其次是结合土木学院李正良教授为重庆大剧院进行的风洞实验研究，进行比较分析，得出设计的可靠依据，优化设计。

目录

文摘

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1绪论

1.1课题的提出

1.2课题研究的目的和意义

1.3大空间热环境研究的发展

1.4国内外热环境数值模拟研究现状及成果

1.4.1室内模拟的研究现状及成果

1.4.2室外模拟的研究现状及成果

1.5本文研究的主要内容和研究方法

2 CFD及其商用软件PHOENICS简介

2.1引言

2.2CFD通用软件的主要特点

2.2.1数学模型

2.2.2离散方法

2.2.3收敛方法

2.2.4网格生成

2.3CFD通用软件的结构

2.4 PHOENICS软件简介

2.5PHOENICS的模型基础

2.5.1流体流动的控制方程

2.5.2湍流模型

2.5.3 PHOENICS中的壁面函数

2.6PHOENICS的离散方法——有限体积法

2.7PHOENICS的求解方法——SIMPLEST算法

2.8PHOENICS的结构

2.9 FLAIR简介

2.9.1 FLAIR是什么

2.9.2 FLAIR与PHOENICS的关系

2.9.3 FLAIR的功能

3大剧场室内数值模拟研究

3.1数值模拟

3.1.1物理模型

3.1.2数学模型

3.1.3边界条件

3.1.4数值计算概况

3.2计算结果与分析

3.2.1温度场结果与分析

3.2.2风速场结果与分析

3.2.3空气龄结果与分析

3.2.4舒适性结果与分析

3.2.5结果数据综合分析

3.3优化工况

3.3.1优化工况的提出

3.3.2优化工况模拟结果与分析

3.4本章小结及建议

3.4.1本章小结

3.4.2建议

4中剧场室内数值模拟研究

4.1数值模拟

4.1.1物理模型

4.1.2数学模型

4.1.3边界条件

4.1.4数值计算概况

4.2计算结果与分析

4.2.1温度场结果与分析

4.2.2风速场结果与分析

4.2.3空气龄结果与分析

4.2.4舒适性结果与分析

4.2.5结果数据综合分析

4.3优化工况

4.3.1优化工况的提出

4.3.2优化工况模拟结果与分析

4.4本章小结及建议

4.4.1本章小结

4.4.2建议

5大剧场入口大厅数值模拟研究

5.1数值模拟

5.1.1物理模型

5.1.2数学模型

5.1.3边界条件

5.1.4数值计算概况

5.2计算结果与分析

5.2.1温度场结果与分析

5.2.2风速场结果与分析

5.2.3空气龄结果与分析

5.2.4舒适性结果与分析

5.3小结及建议

5.3.1小结

5.3.2建议

6中剧场入口大厅数值模拟研究

6.1数值模拟

6.1.1物理模型

6.1.2数学模型

6.1.3边界条件

6.1.4数值计算概况

6.2计算结果与分析

6.2.1温度场结果与分析

6.2.2风速场结果与分析

6.2.3空气龄结果与分析

6.2.4舒适性结果与分析

6.3小结及建议

6.3.1小结

6.3.2建议

7大剧院室外热环境实测

7.1仪器校验

7.1.1数据获取

7.1.2数据检验

7.1.3校验结论

7.2夏季实测

7.2.1实验概况

7.2.2实验仪器

7.2.3实验方案

7.2.4方案1实测及结果

7.2.5方案2实测及结果

7.3本章小结

8大剧院室外热环境数值模拟研究

8.1工程概况

8.2模拟研究计划

8.2.1风洞实验简介

8.2.2模拟方案及研究步骤

8.3方案1数值模拟研究

8.3.1物理模型

8.3.2数学模型

8.3.3边界条件

8.3.4数值计算概况

8.3.5计算结果与分析

8.4方案1.1数值模拟研究

8.4.1概况

8.4.2计算结果与分析

8.5方案2数值模拟研究

8.5.1概况

8.5.2计算结果与分析

8.6方案3数值模拟研究

8.6.1概况

8.6.2计算结果与分析

8.7本章小结及建议

8.7.1本章小结

8.7.2建议

9结论与建议

9.1结论

9.2建议

9.2.1对暖通空调设计方的建议

9.2.2对进一步研究工作的建议

9.2.3对PHOENICS后续版本升级的建议

致 谢

参考文献

附 录