室內(nèi)空氣多態(tài)模擬及對流反演.pdf

1、基于建筑通風(fēng)、室內(nèi)氣態(tài)污染物傳播、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕傳遞、室內(nèi)工作區(qū)空氣環(huán)境控制、恐怖毒氣和火災(zāi)監(jiān)測等實際工程需要，本文從室內(nèi)空氣多態(tài)對流行為、室內(nèi)空氣對流反演、室內(nèi)空氣對流諧振、室內(nèi)空氣雙擴(kuò)散對流行為等方面開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究工作。 首先，在相同物理邊界和不同初始條件的約束下，室內(nèi)將呈現(xiàn)多組不同的空氣、熱和污染物輸運結(jié)構(gòu)，即室內(nèi)空氣多態(tài)對流行為。在工程實踐中，可以通過施加不同的初始條件實現(xiàn)人們所期望的空氣流動和熱質(zhì)傳遞模式，如營造

2、有利的工作區(qū)空氣環(huán)境、抑制有害物擴(kuò)散、以更小的風(fēng)量獲取更大的工作區(qū)空氣置換能力等。本文采用CFD數(shù)值模擬和PIV水洞模型實驗等方法，探討了雙擴(kuò)散自然對流、建筑通風(fēng)等過程出現(xiàn)的室內(nèi)空氣多態(tài)對流行為，并完成了如下有特色的工作： 數(shù)值探討了離散熱源及污染源聯(lián)合驅(qū)動的室內(nèi)空氣雙擴(kuò)散自然對流過程及其多態(tài)行為，并詳細(xì)模擬和分析了浮升力比、熱質(zhì)源間距和熱源強(qiáng)度對室內(nèi)空氣雙擴(kuò)散對流過程及其多態(tài)行為的影響；模擬結(jié)果表明，采用不同的初始條件和控制參

3、數(shù)，可以實現(xiàn)各類工程所需的室內(nèi)空氣、熱與污染物的對流傳輸模式； 數(shù)值模擬了具有三組通風(fēng)口的真實建筑室內(nèi)空氣多態(tài)對流行為，分別探討了入流風(fēng)速、房間寬度和送風(fēng)口離地高度對通風(fēng)室內(nèi)空氣多態(tài)對流行為的影響；研究表明，室內(nèi)通風(fēng)多態(tài)行為與具體建筑高寬比和送風(fēng)口高度有關(guān)；并且以較少的送風(fēng)量能獲得更高的室內(nèi)工作區(qū)空氣置換量； 采用PIV粒子圖像測速系統(tǒng)非接觸式地測量了真實建筑通風(fēng)水洞實驗?zāi)Ｐ褪覂?nèi)流場，研究和驗證了由送風(fēng)速度變化所形成的通

4、風(fēng)室內(nèi)空氣多態(tài)對流行為。 其次，通常的CFD數(shù)值模擬過程都是依據(jù)邊界條件、初始條件等確定室內(nèi)空氣流場分布。然而，實際工程實踐往往需要根據(jù)室內(nèi)部分監(jiān)測或給定溫度(濃度)值反演確定熱源或污染源，即室內(nèi)空氣對流反演。對流反演研究為打擊恐怖毒氣襲擊、預(yù)防火災(zāi)、按人員需求設(shè)計室內(nèi)空氣環(huán)境等提供了直接的理論依據(jù)。本文從共軛梯度方法出發(fā)，分別開展了室內(nèi)空氣自然對流反演、各向異性介質(zhì)內(nèi)空氣自然對流反演和室內(nèi)空氣混合對流反演等多項創(chuàng)新研究工作，具

5、體概述如下， 提出了室內(nèi)空氣自然對流反演問題，統(tǒng)一描述和求解任意區(qū)域內(nèi)自然對流正問題、靈敏度問題以及伴隨問題，并分別探討了未知邊界熱流分布特性、溫度傳感器位置和數(shù)量、測量誤差等對室內(nèi)空氣自然對流反演精度和效率的影響； 提出和研究各向異性介質(zhì)內(nèi)空氣自然對流反演問題，分別探討了室內(nèi)固塊導(dǎo)熱系數(shù)、固塊尺寸、傳感器位置、未知熱流分布特性和測量誤差等對室內(nèi)空氣耦合對流反演精度和效率的影響； 提出和研究受外部通風(fēng)和室內(nèi)熱浮升

6、力聯(lián)合作用的室內(nèi)空氣混合對流反演問題，分別探討了外部通風(fēng)強(qiáng)度、室內(nèi)熱源強(qiáng)度、熱源分布特性等對室內(nèi)混合對流空氣和熱輸運過程的影響，并分析了流場控制參數(shù)、監(jiān)測點位置和測量誤差等因素對混合對流反演計算效率和精度的影響。 再次，相對受迫對流過程而言，室內(nèi)空氣自然對流過程具有零能耗、零噪音等優(yōu)勢，但熱質(zhì)輸運能力太弱。然而，當(dāng)室內(nèi)空氣自然對流系統(tǒng)受熱脈沖作用，并且脈沖頻率與系統(tǒng)本征頻率接近，自然對流過程將出現(xiàn)諧振傳熱行為，系統(tǒng)換熱系數(shù)和能力

7、被顯著地激勵。建筑、太陽能集熱器、電子設(shè)備等經(jīng)常受周期性熱脈沖作用，通過改變相關(guān)設(shè)置(如家具、內(nèi)飾、集熱器傾斜角度、器件布置等)，營造或避免自然對流熱諧振過程，為建筑隔熱、太陽能采集、電子設(shè)備自然冷卻等提供更高效的工作模式。基于此，本文開展了如下有特色的研究工作， 數(shù)值模擬和尺度解析了多組離散熱源引起的室內(nèi)空氣自然對流諧振傳熱行為，并詳細(xì)分析了室內(nèi)空氣流動及對流傳熱過程；數(shù)值模擬了室內(nèi)空氣耦合自然對流熱諧振行為，分析了室內(nèi)固體材

8、料容積和導(dǎo)熱性能對耦合自然對流諧振頻率和生長過程的影響。 最后，室內(nèi)空氣雙擴(kuò)散對流行為廣泛發(fā)生在建筑墻體熱濕傳遞、食品加工和谷物儲藏、空氣過濾凈化等過程中。本文提出了局部熱源污染源聯(lián)合驅(qū)動的多孔介質(zhì)內(nèi)空氣雙擴(kuò)散自然對流問題，并運用尺度分析和數(shù)值模擬方法分析了局部源位置和尺寸對熱浮力驅(qū)動流、質(zhì)浮力協(xié)同流、質(zhì)浮力對抗流等不同階段的多孔介質(zhì)內(nèi)熱質(zhì)輸運結(jié)構(gòu)和性能的影響；研究結(jié)果為抑制建筑墻體熱濕傳遞、優(yōu)化設(shè)計空氣過濾設(shè)備等提供了理論依據(jù)