多通道竖直式太阳能烟囱通风性能研究

【摘要】：随着能源消耗和环境污染问题的突出，利用自然通风来实现建筑节能和改善室内环境越来越受到人们的重视。利用太阳能实现建筑内自然通风，不仅可以改善室内热环境，满足房间一定的舒适性要求，同时又可以节约设备和运行费用，满足建筑节能的需求。 本文提出了在竖直式太阳能烟囱中设置半圆柱形吸热墙的多通道太阳烟囱结构形式，并通过数值模拟对其通风特性进行研究，旨在进一步强化太阳能烟囱的通风性能。本文通过三维数值模拟，研究了热压作用下和风热压耦合作用下的多通道竖直式太阳能烟囱优化结构在不同的通道宽度W、半圆柱吸热墙半径R下的通风性能；获得了多通道太阳能烟囱内局部速度场、温度场和通风量，并进行了详细的分析。结果表明： 当只考虑热压作用时，在热流密度为100W/m2~1000W/m2的范围内，多通道太阳能烟囱的通风量随着烟囱宽度的增大而增大，但是风量增长的幅度越来越小；在一定的太阳能烟囱结构尺寸下，烟囱内的通风量随着热流密度的增大而增大。 当只有热压作用时，多通道太阳能烟囱内的通风量均高于传统太阳能烟囱内的通风量，其通风量随着烟囱通道宽度增大的幅度大于传统太阳能烟囱增大的幅度，当半径为150mm时，自然通风量的增长幅度达到38.9%，而传统太阳能烟囱内通风量的增长幅度最大为25%；当宽度一定时，多通道太阳能烟囱内的通风量比传统结构内的通风量增长的最大幅度约为36.4%；热流密度一定时，多通道太阳能烟囱内的通风量高于传统太阳能烟囱内的通风量。 在热压和风压共同作用时，多通道太阳能烟囱的通风量随着热流密度和室外风速的增大而增大，室外风场对太阳能烟囱内的通风量具有诱导作用，促使烟囱内的风量增大，在本文研究的范围内，风压和热压作用相互增益。对一定的多通道太阳能烟囱的结构尺寸，在热流密度为100W/m2~1000W/m2，室外风速为0.5m/s~4.0m/s的范围内，随着室外风速的增大，多通道太阳能烟囱内通风量不断增大，风压对多通道太阳能烟囱的通风性能有强化作用。 【关键词】：太阳能烟囱 半圆柱形吸热墙 优化 数值模拟
【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】：TU233;TU834
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 符号说明7-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 课题的研究背景及意义13-14
• 1.2 课题的研究现状14-17
• 1.2.1 国际的研究现状14-16
• 1.2.2 国内的研究现状16-17
• 1.3 课题的研究内容17-19
• 第二章 多通道太阳能烟囱的通风原理19-31
• 2.1 自然通风的影响因素19-26
• 2.1.1 热压引起的自然通风19-21
• 2.1.1.1 热压的计算19-20
• 2.1.1.2 热压作用下通风量的计算20-21
• 2.1.2 风压引起的自然通风21-23
• 2.1.2.1 风压的计算22-23
• 2.1.2.2 风压作用下的通风量的计算23
• 2.1.3 风压和热压耦合作用下引起的自然通风23-26
• 2.2 多通道竖直式太阳能烟囱墙体内自然通风的机理分析26-31
• 2.2.1 多通道竖直式太阳能烟囱墙体内通风量的方程26-27
• 2.2.2 多通道竖直式太阳能烟囱墙体内的能量的方程27-31
• 第三章 多通道竖直式太阳能烟囱数值模拟的理论分析31-45
• 3.1 自然对流的理论分析31-33
• 3.1.1 连续性方程31-32
• 3.1.2 动量方程32
• 3.1.3 能量方程32-33
• 3.2 导热的理论分析33-35
• 3.2.1 导热的基本定律33-34
• 3.2.2 导热的微分方程34-35
• 3.3 辐射的理论分析35-37
• 3.3.1 辐射的基本定律36
• 3.3.2 实际物体的辐射特性36-37
• 3.4 多通道竖直式太阳能烟囱的数值模拟37-42
• 3.4.1 本文研究的具体问题37
• 3.4.2 数学模型37-40
• 3.4.2.1 近壁面流动的处理39
• 3.4.2.2 壁面函数法的基本思想39-40
• 3.4.3 收敛判据的确定40-42
• 3.5 软件的简介42-43
• 3.6 本文所用的模拟方法和收敛判据43-45
• 3.6.1 本课题的基本研究方法43
• 3.6.2 控制方程的参数和收敛指标43-45
• 第四章 多通道太阳能烟囱在热压作用下通风性能的研究45-69
• 4.1 物理模型45-49
• 4.1.1 物理问题45-46
• 4.1.2 网格独立性验证46-47
• 4.1.3 网格有效性验证47-48
• 4.1.4 多通道太阳能烟囱墙体数值模拟工况的说明48-49
• 4.1.5 边界条件49
• 4.2 太阳能烟囱的宽度对自然通风特性的影响49-56
• 4.2.1 太阳能烟囱的宽度对自然通风特性的影响49-50
• 4.2.2 不同宽度下的速度场分布50-53
• 4.2.3 不同宽度下的温度场分布53-56
• 4.3 半圆形吸热墙的半径对自然通风特性的影响56-60
• 4.3.1 半圆柱形吸热墙的半径对自然通风特性的影响56-57
• 4.3.2 不同吸热墙半径时的速度场分布57-58
• 4.3.3 不同半径时的温度场分布58-60
• 4.4 壁面热流密度对自然通风特性的影响60-67
• 4.4.1 壁面热流密度对自然通风特性的影响60-61
• 4.4.2 不同热流密度时的速度场分布61-64
• 4.4.3 不同热流密度时的温度场分布64-67
• 4.5 本章小结67-69
• 第五章 热压和风压耦合作用下多通道竖直式太阳能烟囱通风性能研究69-83
• 5.1 多通道竖直式太阳能烟囱在热压和风压耦合作用下的模型及结构69-70
• 5.1.1 多通道竖直式太阳能烟囱的物理模型69-70
• 5.1.2 多通道竖直式太阳能烟囱数值模拟工况的说明70
• 5.2 多通道竖直式太阳能烟囱的宽度对自然通风特性的影响70-74
• 5.2.1 太阳能烟囱的宽度对自然通风特性的影响70-71
• 5.2.2 不同宽度下的速度场分布71-73
• 5.2.3 不同宽度下的温度场分布73-74
• 5.3 壁面热流密度对自然通风特性的影响74-78
• 5.3.1 壁面热流密度对自然通风特性的影响74-75
• 5.3.2 不同热流密度时的速度场分布75-76
• 5.3.3 不同热流密度时的温度场分布76-78
• 5.4 室外风速对自然通风特性的影响78-81
• 5.4.1 不同速度时的速度场分布79-80
• 5.4.2 不同速度时的温度场分布80-81
• 5.5 本章小结81-83
• 第六章 本文主要结论及展望83-85
• 6.1 本文的主要研究工作总结83-84
• 6.1.1 热压作用下烟囱内的通风性能研究83
• 6.1.2 热压和风压耦合作用下烟囱内的通风性能研究83-84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-91
• 硕士学位期间的学术成果91

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