组合式太阳能烟囱通风性能数值研究及其优化

【摘要】：随着社会的进步和人民生活水平的提高，能源的消耗越来越大，环境污染越来越严重。建筑能耗在社会总能耗中所占的比例越来越大，我国建筑能耗已占总能耗30%以上。面对能源消耗和环境问题，建筑行业节能已成为一个研究热点。太阳能烟囱就是通过利用太阳能和风能实现建筑内自然通风，进而消除室内余热、余湿，改善建筑室内空气质量的一种有效措施。在实际中应用的太阳能烟囱，不可避免会受到室外风速和风向的影响，风压和热压的耦合作用对太阳能烟囱通风性能有重要的作用。 本文对不同结构参数（太阳能烟囱斜面长度与宽度）和室外参数（室外风速与热流密度）的组合式太阳能烟囱在风压与热压耦合作用下的自然通风性能进行了数值模拟研究；在此基础上提出了带百叶结构的组合式太阳能烟囱，并对其性能进行了研究。主要研究内容和结果具体如下： （1）建立了风压与热压共同作用下的组合式太阳能烟囱数学和物理模型；确定了考虑其室外风场的计算区域；生成复杂计算网格，并进行网格独立性考核；数值计算结果与实验模型进行对比，验证数学模型和物理模型的可靠性。 （2）通过数值模拟分析，风热压耦合作用下的组合式太阳能烟囱通风量随烟囱宽度的增加而增加，但其增加幅度逐渐减小的；通风量随烟囱倾斜长度的增加而增加。 （3）组合式太阳能烟囱进口截面风速随烟囱宽度和斜面长度的增加而增加，但是在烟囱宽度增加时，进口截面风速在进口高度方向减小；同时，在烟囱宽度和斜面长度增加时，烟囱出口速度和出口温度增加。 （4）在改变室外参数的条件下，组合式太阳能烟囱通风量和出口风速随室外风速和热流密度的增加而逐渐增加；烟囱进出口压差和温差随热流密度的增加而增加。 （5）对组合式太阳能烟囱进行优化，提出带百叶的组合式太阳能烟囱，即在玻璃墙上装上百叶窗及挡风转向板。该结构有效利用室外风，对烟囱内空气形成诱导作用，从而增大烟囱内通风速度，使得其自然通风性能大大增强。与不带百叶的组合式烟囱相比，在室外风速为0~3m/s范围内，优化结构的通风量最大可增加70.1%。 （6）对于优化结构的组合式太阳能烟囱，在相同的工况下，烟囱通道内温度场与流场都优于未优化结构的烟囱；优化结构组合式太阳能烟囱的风速明显高于未优化结构，如在相同热流密度下，即使未优化结构烟囱所处环境中室外风速较大，优化结构所处环境室外风速较小，优化结构的烟囱内部空气流速也会明显高于未优化结构，说明在组合式太阳能烟囱结构进行优化后，室外风压对烟囱的通风量的影响明显增加。当优化结构的太阳能烟囱在室外风速v为2m/s时，W=100mm部位的速度为0.91m/s，而未优化结构的太阳能烟囱在室外风速为3m/s时该部位的速度仅为0.75m/s，速度相差20.3%。 （7）对于优化的组合式烟囱，当百叶片角度增加时，室外风在呈一定角度的叶片和挡风转向板的作用下，对烟囱通道内的空气形成诱导作用，增强通道内通风量；随热流密度增加，优化的组合式太阳能烟囱出口温度增加；在室外风速增加时，其出口的温度减小。 【关键词】：组合式太阳能烟囱 自然通风 数值模拟 结构优化
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU834
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 课题学术背景及意义14-15
• 1.2 课题的研究现状和研究的方法15-21
• 1.2.1 国外研究现状17-20
• 1.2.2 国内研究现状20-21
• 1.3 课题研究的内容21-24
• 第二章 组合式太阳能烟囱的通风原理24-30
• 2.1 自然通风的机理24-28
• 2.1.1 热压作用下的自然通风24-25
• 2.1.1.1 影响热压的因素及计算24-25
• 2.1.1.2 热压作用下通风量的计算25
• 2.1.2 风压作用下的自然通风25-27
• 2.1.2.1 风压的计算26
• 2.1.2.2 风压作用下通风量的计算26-27
• 2.1.3 热压与风压耦合作用下的自然通风27-28
• 2.2 组合式太阳能烟囱自然通风机理分析28-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 数值计算模型及方法30-40
• 3.0 GAMBIT 建模介绍30
• 3.1 数值模拟软件 FLUENT 介绍30-31
• 3.1.1 FLUENT 软件的组织形式30-31
• 3.1.2 FLUENT 软件模拟计算的步骤31
• 3.2 数值模拟方法31-34
• 3.2.1 模拟中的假设31-32
• 3.2.2 数值计算中的控制方程及求解32-34
• 3.3 紊流 RNGk- 模型34
• 3.4 壁面处理方法34-36
• 3.6 控制方程的求解及方程收敛判据36-38
• 3.6.1 控制方程的求解36-37
• 3.6.2 控制方程收敛判据37-38
• 3.7 本章小结38-40
• 第四章 风热压耦合作用下组合式太阳能烟囱性能研究40-62
• 4.1 物理模型的建立和计算区域的确定40-41
• 4.1.1 物理模型的建立40
• 4.1.2 计算区域的确定40-41
• 4.2 网格的划分及独立性考核41-42
• 4.3 模型有效性验证42-43
• 4.4 边界条件和数值计算方法43-45
• 4.4.1 边界条件43-44
• 4.4.2 数值计算方法44-45
• 4.5 结果分析45-59
• 4.5.1 组合式太阳能烟囱宽度对通风性能的影响45-50
• 4.5.1.1 不同宽度下的组合式烟囱通风量45-46
• 4.5.1.2 组合式太阳能烟囱温度场46-48
• 4.5.1.3 组合式烟囱进出口局部流场48-49
• 4.5.1.4 组合式烟囱进口截面速度49-50
• 4.5.2 组合式太阳能烟囱倾斜部分斜面长度对通风性能的影响50-55
• 4.5.2.1 不同斜面长度下温度场和流场50
• 4.5.2.2 不同斜面长度下的组合式烟囱通风量50-53
• 4.5.2.3 不同斜面长度下烟囱竖直部分一半高度处截面速度分布53
• 4.5.2.4 不同斜面长度下烟囱进口截面速度特性53-54
• 4.5.2.5 不同斜面长度下烟囱出口截面温度和速度特性54-55
• 4.5.3 组合式太阳能烟囱出口速度55-57
• 4.5.4 组合式太阳能烟囱进出口压差57-58
• 4.5.5 组合式太阳能烟囱进出口温差58-59
• 4.6 本章小结59-62
• 第五章 组合式太阳能烟囱的优化及其性能研究62-78
• 5.1 优化的组合式太阳能烟囱结构及其通风原理62-64
• 5.2 局部温度场对比分析64-65
• 5.3 局部速度场对比分析65-66
• 5.4 优化结构与未优化结构通风量对比分析66-67
• 5.5 优化结构与未优化结构烟囱出口速度对比分析67-68
• 5.6 优化结构与未优化结构烟囱竖直部分一半高度处截面速度对比分析68-69
• 5.7 优化结构烟囱的通风性能研究69-75
• 5.7.1 不同百叶窗位置的通风性能69-70
• 5.7.2 不同百叶叶片角度性能70-71
• 5.7.3 优化后通风量随热流密度的变化关系71-72
• 5.7.4 不同热流密度下出口温度72-73
• 5.7.5 不同风速下出口温度73
• 5.7.6 不同室外风速下烟囱出口风速73-75
• 5.7.7 不同热流密度下烟囱出口风速75
• 5.8 本章小结75-78
• 第六章 结论及后续工作建议78-80
• 6.1 本文的主要研究工作总结78-79
• 6.1.1 风热压耦合作用的组合式太阳能烟囱的通风性能78-79
• 6.1.2 优化的组合式太阳能烟囱的通风性能79
• 6.2 后续工作建议79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-86
• 攻读学位期间成果86

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