太阳能烟囱提高室内热压通风效果的数值模拟

摘要

自然通风技术和开发利用新能源是现代建筑节能中普遍采用的改善室内热环境和降低空调能耗的主要技术手段.太阳能烟囱是一种热压作用下的自然通风设备,将两者有机结合起来.它利用太阳辐射作为动力,为空气流动提供浮升力,将热能转化为动能.该文运用理论和数值模拟方法对三种用于室内自然通风的太阳能烟囱模型进行分析计算,这三种模型分别为Trombe墙体式太阳能烟囱、竖直集热板屋顶式太阳能烟囱以及倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱.该文使用k-ε湍流模型结合壁面函数法,对稳态条件下,不同模型、不同结构尺寸的太阳能烟囱的通风量、温度场和速度场进行预测.同时,针对三种太阳能烟囱模型的流动和计算特点,选用了不同种类的k-ε湍流模型和壁面函数法进行数值计算.在数值计算过程中,不断细化网格,直到数值解几乎不再发生变化,得到与网格独立无关的解.对大量的数值计算结果进行总结,并对太阳能烟囱的结构优化设计提出了建议.结果表明,对于Trombe墙体式太阳能烟囱,存在可以获得最大通风量的最佳空气通道宽度与高度的比值,这个最佳比值是依赖于太阳能烟囱进口的设计,而与太阳辐射强度无关.但是,对于带有竖直集热板或倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱(其特点是两端完全开口),在研究范围内,或者得到很大最佳的宽度与高度的比值,或者没有找到最佳空气通道宽度值.太阳能烟囱的通风量随着太阳辐射强度的增加和烟囱高度的增加明显加大.同时,在该论文中分析了太阳能烟囱的温度场和速度场.气流速度随着通道宽度的增加而减小,随着太阳辐射强度的增加而增大.太阳能烟囱的空气通道宽度增大到一定数值时,可以观察到在太阳能烟囱出口处有明显的回流现象.气流的温度随着太阳能烟囱高度的增加和太阳能辐射强度的增大而升高.将三种太阳能烟囱的模型数值计算结果与国外的实验结果对比分析,证明了该文数值结果的可靠性.

目录

文摘

英文文摘

声明及关于论文使用授权的说明

1绪论

1.1太阳能烟囱的研究背景及意义

1.2太阳能烟囱的研究现状

1.3课题研究内容

1.4课题研究方案

1.4.1理论分析

1.4.2数值计算

2太阳能烟囱自然通风原理

2.1自然通风机理

2.1.1 风压自然通风

2.1.2热压自然通风

2.1.3热压和风压共同作用下的自然通风

2.2太阳能烟囱自然通风机理分析

2.2.1通风量方程

2.2.2温度方程

3太阳能烟囱问题数值模拟

3.1研究对象

3.2太阳能烟囱的研究进展

3.3模型简化和假设

3.4紊流数学模型

3.4.1控制方程

3.4.2标准κ-ε模型和RNGk-ε模型

3.5壁面处理方法

3.5.1壁面函数法的基本思想

3.5.2标准的壁面函数法

3.5.3非平衡壁面函数法

3.5.4增强的壁面函数法

3.6余量及收敛判据

3.7 GAMBIT、FLUENT在本课题中的应用

3.7.1 GAMBIT在本课题中的应用

3.7.2 FLUENT在本课题中的应用

4太阳能烟囱数值计算

4.1模型1 Trombe墙体式太阳能烟囱

4.1.1数值计算说明

4.1.2 Trombe墙体式太阳能烟囱数值计算结果

4.1.3通风量与太阳辐射强度、空气通道宽度、进出口宽度以及高度的关系

4.2模型2竖直集热板屋顶式太阳能烟囱

4.2.1数值计算说明

4.2.2竖直集热板屋顶式太阳能烟囱数值计算结果

4.2.3通风量与太阳辐射强度、空气通道宽度、进出口宽度以及高度的关系

4.3模型3倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱

4.3.1数值计算说明

4.3.2倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱数值计算结果

4.3.3通风量与太阳辐射强度、空气通道宽度、进出口宽度以及高度的关系

5结果分析

5.1速度场分析

5.1.1烟囱中的回流现象

5.1.2速度沿空气通道宽度的变化

5.2温度场分析

5.3通风量分析

6结论及研究展望

6.1结论

6.2研究展望

致 谢

参考文献