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太阳能烟囱强化自然通风的数学模型及数值模拟

作　者: 柳仲宝
导　师: 苏亚欣
学　校: 东华大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 自然通风太阳能烟囱影响因素数学模型数值模拟
分类号: TU834.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

自然通风是一种节能的通风技术。然而,由于自然通风的驱动力,热压或风压通常情况下较弱,自然通风的通风能力与机械通风相比,相对较弱。囚此,深入研究自然通风的规律及其强化方法对该技术推广使用具有重要意义。太阳能烟囱是一种利用太阳辐射能来强化自然通风的有效技术,它利用太阳辐射热加热烟囱内部的空气,增大热压,从而强化自然通风的效果。对太阳能烟囱强化自然通风性能的研究具有较高的学术参考价值与工程指导作用。本文以垂直布置的太阳能烟囱为研究对象,对烟囱通道内的传热过程进行了模型与模拟研究,讨论了结构参数以及太阳辐射等条件对烟囱通道内空气的温度、墙面和玻璃盖板的温度以及烟囱的通风量等性能参数的影响进行了计算和分析。首先,基于能量守恒定律,在考虑了太阳能烟囱玻璃盖板和集热墙内部热阻的前提下,对前人的太阳能烟囱的数学模型进行了修正,建立了新的稳态传热数学模型,探讨了太阳能烟囱的结构参数对通风性能的影响。研究结果表明,增加盖板玻璃和集热墙的导热热阻的数学模型计算得到的结果与相关实验测试的结果更加接近。此外,从模型的计算结果来看,太阳能烟囱的高度、深度、进风口高度的最佳的尺寸比例接近为10：1：1。其次,在太阳能烟囱的稳态数学模型的基础上进一步提出了太阳能烟囱强化自然通风的非稳态传热数学模型,采用Crank-Nicolson差分方法对该模型进行了数值求解,讨论了集热墙、玻璃盖板、烟囱内部空气以及空气流量等参数对时间的分布特点。模型计算结果表明,白天工况时,烟囱内部空气温度,集热墙温度以及玻璃盖板的温度均随着太阳辐射强度的增加而增加,使得烟囱诱导的空气流量增多。夜间工况时,考虑到集热墙的蓄热作用及夜间的热损失,发现集热墙与玻璃盖板的导热热阻不容忽略。最后,采用计算流体力学(CFD)方法对太阳能烟囱内的流动与换热特点进行了数值模拟。文中采用Realizableκ-ε湍流模型、DO辐射模型以及SIMPLEC算法对流场与温度场进行计算。探讨了太阳能烟囱的结构参数对烟囱通风能力的影响情况,分析了太阳能烟囱内部空气的流速、温度、局部对流换热系数以及可以表征空气流动状态的格拉晓夫数的变化情况,得到主要结论如下：1)太阳能烟囱高度的增加有助于提高烟囱的通风能力,并且通风量随着烟囱深度的增加而增加,进风口高度对烟囱通风能力的影响作用弱于其他两个结构参数。2)烟肉内部的空气沿着烟囱深度方向,温度与速度的分布并不是均匀一致的,在集热墙与玻璃盖板的近壁面处,边界层内温度梯度与速度梯度较大3)高度为2m的烟囱,其内部空气流动基本呈现层流状态；高度为3m的烟囱在竖直高度为1.5m左右,边界层内的空气从层流状态进入到过渡流状态；高度为4m的烟囱在竖直高度超过3.3m以后,边界层内的空气进入湍流状态。本文的研究结果证明合理的设计太阳能烟囱的结构参数将会提高自然通风的效果,并且为太阳能烟囱应用领域的推广及优化设计提供了理论上的依据和指导。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
主要符号表  11-12
第一章绪论  12-21
  1.1 课题研究的背景与意义  12-13
  1.2 太阳能烟囱强化自然通风的研究现状  13-19
    1.2.1 太阳能烟囱自然通风性能的影响因素  13-17
    1.2.2 太阳能烟囱的理论分析与模拟方法  17-19
  1.3 课题的研究内容  19-21
第二章太阳能烟囱强化自然通风的原理  21-28
  2.1 自然通风原理  21-23
    2.1.1 风压作用下的自然通风  21-22
    2.1.2 热压单独作用下的自然通风  22-23
    2.1.3 风压和热压共同作用下的自然通风  23
  2.2 太阳能烟囱自然通风原理  23-27
    2.2.1 太阳能烟囱的基本原理  23-24
    2.2.2 太阳能烟囱通风量方程  24-27
  2.3 本章小结  27-28
第三章太阳能烟囱自然通风的一维稳态传热模型  28-43
  3.1 太阳能烟囱的物理模型及假设条件  28-30
    3.1.1 太阳能烟囱的物理模型  28-29
    3.1.2 模型假设条件  29-30
  3.2 太阳能烟囱的传热分析及数学模型建立  30-33
    3.2.1 能量平衡方程  30-32
    3.2.2 传热系数的确定  32-33
  3.3 传热数学模型的求解  33-34
  3.4 传热模型的可靠性验证  34-36
  3.5 太阳能烟囱自然通风的影响因素  36-42
    3.5.1 结构参数对通风性能的影响  36-42
    3.5.2 太阳辐射强度对自然通风特性的影响  42
  3.6 本章小结  42-43
第四章太阳能烟囱自然通风的一维非稳态传热模型  43-66
  4.1 一维非稳态传热研究的计算方法  43-46
    4.1.1 数值计算法  43
    4.1.2 谐波反应法  43-44
    4.1.3 反应系数法  44-45
    4.1.4 Z传递函数法  45
    4.1.5 研究方法的选择  45-46
  4.2 太阳能烟囱传热模型的建立  46-53
    4.2.1 太阳能烟囱物理模型及假设条件  46-47
    4.2.2 太阳能烟囱传热的数学模型  47-52
    4.2.3 传热模型的气象参数  52-53
    4.2.4 传热数学模型的计算程序  53
  4.3 模型的计算结果与结论分析  53-64
    4.3.1 集热墙的温度变化  55-58
    4.3.2 破璃盖温度变化  58-60
    4.3.3 烟囱内空气平均温度变化  60-62
    4.3.4 空气流量变化  62-64
  4.4 本章小结  64-66
第五章太阳能烟囱自然通风的数值模拟与分析  66-105
  5.1 引言  66-67
  5.2 模型的建立及采用的数值方法  67-73
    5.2.1 模拟对象及网格划分  67
    5.2.2 湍流模型  67-69
    5.2.3 辐射模型  69
    5.2.4 物性参数  69-70
    5.2.5 运算环境设定  70
    5.2.6 求解器选择与设定  70-72
    5.2.7 边界条件的设定  72-73
  5.3 数值模拟结果与分析  73-104
    5.3.1 烟囱高度对自然通风效果的影响  73-84
    5.3.2 烟囱深度对自然通风效果的影响  84-94
    5.3.3 烟囱进风口高度对自然通风效果的影响  94-104
  5.4 本章小结  104-105
第六章全文结论与工作展望  105-109
  6.1 论文结论  105-107
  6.2 论文后续工作与展望  107-109
参考文献  109-114
攻读学位期间发表的学术论文  114-115
致谢  115

太阳能烟囱强化自然通风的数学模型及数值模拟

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