單開口自然通風特性的實驗與模擬研究.pdf

1、由于日常生活和工程實踐中，為了防火、安全和隱私的需要，單開口自然通風現(xiàn)象很普遍。本文首先介紹了單開口自然通風在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出了單開口自然通風流動的不確定性及其復雜多變等問題帶來了研究的困難。因此，本文采用數(shù)理分析、實驗和數(shù)值模擬研究三種方法，考慮了小開口和大開口兩種情況，主要從開口、建筑、熱源和室外氣象參數(shù)這四大方面著手，重點研究了開口寬度、開口高度、開口離地高度、建筑墻體厚度、建筑進深、熱源離地高度、熱源強度、室內(nèi)外溫差、室外

2、風速、室外風向等10個參數(shù)對單開口自然通風的影響，對單開口自然通風特性進行了較為全面的分析研究。建立了單開口自然通風的計算模型，并根據(jù)單開口自然通風流動及換熱機理，設計并制作應用兩種新型窗戶，與傳統(tǒng)的平開窗和推拉窗的自然通風效果進行比較。
　　本文首先介紹了單開口的定義及其物理模型，分析了小開口和大開口自然通風特點，根據(jù)小開口和大開口流動特性的差異，提出單開口自然通風設計及計算時，首先要進行小開口和大開口判斷，再應用對應的單開口計

3、算模型。分別介紹了熱壓單獨作用、風壓單獨作用、熱壓風壓共同作用三種情況下的單開口自然通風計算模型。在前人研究基礎上，根據(jù)小開口和大開口的自然通風原理，通過合理假設簡化模型，進行二維單開口通風計算模型的數(shù)理推導，建立了小開口和大開口自然通風模型。特別是針對復雜的大開口自然通風，提出了兩個新的研究模型:“以開口為邊界的控制容積模型”和“以室外空間為邊界的管流模型”。并分析了兩個研究模型的特點、使用方法及適用場合，為后面章節(jié)的實驗和數(shù)值模擬研

4、究提供了理論依據(jù)。
　　基于“以開口為邊界的控制容積模型”，分別用現(xiàn)場實驗實測和CFD數(shù)值計算方法對單開口自然通風特性進行了研究。通過單開口自然通風實驗研究，主要分析了開口寬度和室內(nèi)外溫差對單開口自然通風的影響，推導出了實驗條件下，單開口自然通風量簡易計算模型。從開口、建筑、熱源和室外氣象參數(shù)這四大方面著手，根據(jù)工程實踐中的基本數(shù)據(jù)，對開口寬度、開口高度、開口離地高度、建筑墻體厚度、建筑進深、熱源離地高度、熱源強度、室內(nèi)外溫差、室

5、外風速、室外風向等10個參數(shù)分別變化時的工況進行數(shù)值模擬計算，對各參數(shù)變化時的溫度場、壓力場和流線進行了分析比較，闡明了單開口自然通風的流動和換熱機理。并對各工況下的自然通風量進行了計算，分析了上述10個參數(shù)對自然通風量的影響規(guī)律。
　　由于單開口通風中室內(nèi)風速較小，提出了按室內(nèi)氣流速度將室內(nèi)分為“微風區(qū)”和“無風區(qū)”兩個區(qū)域的方法，并進行了各工況的比較分析。提出了“有效通風長度”這一新概念，并對其進行定義。重點分析了開口寬度、開

6、口高度、開口離地高度、建筑墻體厚度、室外風速、室外風向這六個參數(shù)對單開口自然通風有效通風長度的影響關(guān)系。并綜合以上各參數(shù)的影響規(guī)律，推導出了有效通風長度的計算公式。
　　綜合實驗和模擬研究數(shù)據(jù)和結(jié)果，根據(jù)各工況下流線渦的發(fā)展和變化規(guī)律，溫度和壓力分布情況，以及各影響因素對自然通風量、室內(nèi)分區(qū)、有效通風長度的分析，提出大開口和小開口的判斷條件。
　　基于“以室外空間為邊界的管流模型”，在數(shù)值模擬研究中建立了“以計算域為邊界的管

7、流模型”，提出將帶有單開口的建筑整體作為一個局部阻力構(gòu)件，用無建筑的計算域管流進出口能量損失作為沿程阻力，局部阻力損失全部集中在單開口的建筑中的計算方法，推導出了室外氣流流經(jīng)單開口建筑的局部阻力損失系數(shù)計算公式，并應用在各種工況下進行分析。發(fā)現(xiàn)此時的局部阻力系數(shù)受開口寬度、開口高度、開口離地高度、墻體厚度、熱源強度、熱源離地高度、室外風速、室內(nèi)外溫差這八個參數(shù)的影響很小，主要受建筑進深和室外風向的影響。
　　最后，根據(jù)單開口自然通

8、風特性的實驗和模擬研究結(jié)果，為提高單開口自然通風效果，考慮對開口裝置的改進，設計制作并應用了兩種新型通風窗戶——“上下對開垂直導風窗”和“帶垂直導板的對開多葉中旋窗”。通過現(xiàn)場實測和CFD方法，對兩種新型窗戶與傳統(tǒng)的平開窗和推拉窗的自然通風效果進行了比較分析。研究表明，兩種新型窗戶的自然通風效果優(yōu)于傳統(tǒng)窗戶，特別是改進了傳統(tǒng)窗戶對風向的敏感性問題，對室外風向的適應性更強。研究中還發(fā)現(xiàn)了，“上下對開垂直導風窗”中設置水平分流板，“帶垂直導