室內(nèi)空氣對流的特征與模擬.pdf

1、本文主要討論建筑室內(nèi)空氣環(huán)境中對流問題的模擬方法與基本特征。主要內(nèi)容分為七章，研究要點如下： 第一章探討如何描述對流系統(tǒng)中熱與質(zhì)的傳輸過程?由于傳統(tǒng)的溫度與濃度等值線分布僅展示了對流傳熱傳質(zhì)系統(tǒng)所達到的最終狀態(tài)，而沒有提供熱與污染物的傳輸信息或結(jié)構(gòu)，因此我們無法知道對流行為的本質(zhì)特征。本章提出的對流傳輸過程模擬與可視化方法則是直接顯示對流系統(tǒng)內(nèi)部流體、熱與污染物的傳輸結(jié)構(gòu)或過程，使我們清楚地看到對流行為特征。作者在對流控制方程的

2、基礎上定義了描述流體、熱、質(zhì)傳輸統(tǒng)一的對流傳輸函數(shù)(流函數(shù)、熱函數(shù)、質(zhì)函數(shù))，并分析了傳輸函數(shù)及其傳輸路徑(流線、熱線、質(zhì)線)的基本性質(zhì)。應用算例充分說明了對流傳輸函數(shù)及其傳輸路徑的價值與意義。 第二章是將對流傳輸可視化技術應用于建筑環(huán)境領域，為室內(nèi)空氣環(huán)境評價提供一種更為簡單有效的工具與方法。室內(nèi)熱與污染物的傳輸結(jié)構(gòu)給我們提供了一種視覺上的環(huán)境質(zhì)量評價，如我們可以直觀地看到：室內(nèi)有害的熱與污染物能否盡快排除?有害的熱與污染物是

3、否對我們身體健康產(chǎn)生影響?如何布置或控制熱源與污染源，以避免它們對我們身體造成侵害或使室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量更好?作者以二維層流雙擴散混合對流模型—置換通風—進行了數(shù)值模擬與分析，并利用上述對流可視化技術來觀察熱源、污染源、外部機械通風三個因素對室內(nèi)空氣環(huán)境的影響。 建筑室內(nèi)熱源表現(xiàn)出很大的特殊性：一方面呈離散分布狀態(tài)，另一方面熱源的大小、類型與強度各不相同。如何描述室內(nèi)大小、類型與強度不同的離散熱源之間的相互作用及其對室內(nèi)空氣環(huán)境的

4、影響即是第三章的主要內(nèi)容。作者首先提出了組合溫度尺度法，它有效地將離散熱源之間抽象的相互作用轉(zhuǎn)換為邊界條件之間明確的物理關系。其次，通過廣泛意義上的貢獻因子概念來描述/鑒別不同的離散熱源。最后，在熱源統(tǒng)一的傳熱特性基礎上定義了熱源強度概念，它決定了離散熱源在相互作用中的地位。本章分別討論了壁面離散熱源之間及壁面離散熱源與內(nèi)部體積熱源之間的相互作用。 由于人類活動的復雜性和舒適性需要，建筑室內(nèi)離散熱源與污染源的位置與強度往往是不斷

5、變化的，從而對室內(nèi)空氣環(huán)境產(chǎn)生重要影響。第四章研究了室內(nèi)雙擴散自然對流系統(tǒng)中離散熱源與與污染源之間的相互作用隨強度與位置的變化關系。模擬結(jié)果表明雙擴散自然對流系統(tǒng)的空氣流動與傳熱傳質(zhì)特性完全是由離散熱源與污染源浮升力之間的相互作用關系決定的：當離散熱源與污染源浮升力協(xié)同作用時，自然對流呈比較穩(wěn)定的單一流動結(jié)構(gòu)；而當熱源與污染源浮升力對抗作用時，自然對流系統(tǒng)隨它們之間強度變化呈現(xiàn)出多種流動狀態(tài)。 第五章是討論如何模擬室內(nèi)復雜的對流

6、問題?室內(nèi)空氣對流行為的復雜性與狀態(tài)的多樣性通常是多種物理過程相互作用的結(jié)果，如離散熱源的熱浮升力、離散污染源的濃度浮升力及機械通風等。因此，模擬室內(nèi)空氣對流傳熱傳質(zhì)系統(tǒng)最自然的方法是分析室內(nèi)可能發(fā)生的各種物理過程之間的相互作用，而在相互作用中明顯占優(yōu)的物理過程將決定室內(nèi)對流的基本特性。本章提出的處理復雜對流問題的自然模擬法即是根據(jù)物理過程之間的相互作用分析對流的行為特征。 第六章是研究對流問題求解的SIMPLE算法。作者從連續(xù)

7、性守恒的本質(zhì)出發(fā)，詳細分析了壓力修正方程的求解特殊性及其對SIMPLE算法收斂性能的影響。盡管從方程結(jié)構(gòu)上看，壓力修正方程與動量方程具有相同的離散形式，可以采用相同的迭代方法求解，但在迭代求解的三個方面—迭代初值、邊界條件、迭代過程—都表現(xiàn)很大的特殊性：首先壓力修正方程的迭代初值具有獨立性而不象動量方程的迭代初值具有繼承性；其次，壓力修正方程的邊界條件類型應該與動量方程的速度邊界相反；最后，必須增加壓力修正方程的內(nèi)循環(huán)迭代求解次數(shù)，才能