組合式太陽能煙囪通風(fēng)性能數(shù)值研究及其優(yōu)化

【摘要】：隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，能源的消耗越來越大，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。建筑能耗在社會(huì)總能耗中所占的比例越來越大，我國建筑能耗已占總能耗30%以上。面對(duì)能源消耗和環(huán)境問題，建筑行業(yè)節(jié)能已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。太陽能煙囪就是通過利用太陽能和風(fēng)能實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)自然通風(fēng)，進(jìn)而消除室內(nèi)余熱、余濕，改善建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的一種有效措施。在實(shí)際中應(yīng)用的太陽能煙囪，不可避免會(huì)受到室外風(fēng)速和風(fēng)向的影響，風(fēng)壓和熱壓的耦合作用對(duì)太陽能煙囪通風(fēng)性能有重要的作用。 本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（太陽能煙囪斜面長度與寬度）和室外參數(shù)（室外風(fēng)速與熱流密度）的組合式太陽能煙囪在風(fēng)壓與熱壓耦合作用下的自然通風(fēng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；在此基礎(chǔ)上提出了帶百葉結(jié)構(gòu)的組合式太陽能煙囪，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)果具體如下： （1）建立了風(fēng)壓與熱壓共同作用下的組合式太陽能煙囪數(shù)學(xué)和物理模型；確定了考慮其室外風(fēng)場的計(jì)算區(qū)域；生成復(fù)雜計(jì)算網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性考核；數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和物理模型的可靠性。 （2）通過數(shù)值模擬分析，風(fēng)熱壓耦合作用下的組合式太陽能煙囪通風(fēng)量隨煙囪寬度的增加而增加，但其增加幅度逐漸減小的；通風(fēng)量隨煙囪傾斜長度的增加而增加。 （3）組合式太陽能煙囪進(jìn)口截面風(fēng)速隨煙囪寬度和斜面長度的增加而增加，但是在煙囪寬度增加時(shí)，進(jìn)口截面風(fēng)速在進(jìn)口高度方向減小；同時(shí)，在煙囪寬度和斜面長度增加時(shí)，煙囪出口速度和出口溫度增加。 （4）在改變室外參數(shù)的條件下，組合式太陽能煙囪通風(fēng)量和出口風(fēng)速隨室外風(fēng)速和熱流密度的增加而逐漸增加；煙囪進(jìn)出口壓差和溫差隨熱流密度的增加而增加。 （5）對(duì)組合式太陽能煙囪進(jìn)行優(yōu)化，提出帶百葉的組合式太陽能煙囪，即在玻璃墻上裝上百葉窗及擋風(fēng)轉(zhuǎn)向板。該結(jié)構(gòu)有效利用室外風(fēng)，對(duì)煙囪內(nèi)空氣形成誘導(dǎo)作用，從而增大煙囪內(nèi)通風(fēng)速度，使得其自然通風(fēng)性能大大增強(qiáng)。與不帶百葉的組合式煙囪相比，在室外風(fēng)速為0~3m/s范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的通風(fēng)量最大可增加70.1%。 （6）對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的組合式太陽能煙囪，在相同的工況下，煙囪通道內(nèi)溫度場與流場都優(yōu)于未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的煙囪；優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合式太陽能煙囪的風(fēng)速明顯高于未優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如在相同熱流密度下，即使未優(yōu)化結(jié)構(gòu)煙囪所處環(huán)境中室外風(fēng)速較大，優(yōu)化結(jié)構(gòu)所處環(huán)境室外風(fēng)速較小，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的煙囪內(nèi)部空氣流速也會(huì)明顯高于未優(yōu)化結(jié)構(gòu)，說明在組合式太陽能煙囪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，室外風(fēng)壓對(duì)煙囪的通風(fēng)量的影響明顯增加。當(dāng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪在室外風(fēng)速v為2m/s時(shí)，W=100mm部位的速度為0.91m/s，而未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪在室外風(fēng)速為3m/s時(shí)該部位的速度僅為0.75m/s，速度相差20.3%。 （7）對(duì)于優(yōu)化的組合式煙囪，當(dāng)百葉片角度增加時(shí)，室外風(fēng)在呈一定角度的葉片和擋風(fēng)轉(zhuǎn)向板的作用下，對(duì)煙囪通道內(nèi)的空氣形成誘導(dǎo)作用，增強(qiáng)通道內(nèi)通風(fēng)量；隨熱流密度增加，優(yōu)化的組合式太陽能煙囪出口溫度增加；在室外風(fēng)速增加時(shí)，其出口的溫度減小。 【關(guān)鍵詞】：組合式太陽能煙囪 自然通風(fēng) 數(shù)值模擬 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU834
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 緒論14-24
• 1.1 課題學(xué)術(shù)背景及意義14-15
• 1.2 課題的研究現(xiàn)狀和研究的方法15-21
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3 課題研究的內(nèi)容21-24
• 第二章 組合式太陽能煙囪的通風(fēng)原理24-30
• 2.1 自然通風(fēng)的機(jī)理24-28
• 2.1.1 熱壓作用下的自然通風(fēng)24-25
• 2.1.1.1 影響熱壓的因素及計(jì)算24-25
• 2.1.1.2 熱壓作用下通風(fēng)量的計(jì)算25
• 2.1.2 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)25-27
• 2.1.2.1 風(fēng)壓的計(jì)算26
• 2.1.2.2 風(fēng)壓作用下通風(fēng)量的計(jì)算26-27
• 2.1.3 熱壓與風(fēng)壓耦合作用下的自然通風(fēng)27-28
• 2.2 組合式太陽能煙囪自然通風(fēng)機(jī)理分析28-29
• 2.3 本章小結(jié)29-30
• 第三章 數(shù)值計(jì)算模型及方法30-40
• 3.0 GAMBIT 建模介紹30
• 3.1 數(shù)值模擬軟件 FLUENT 介紹30-31
• 3.1.1 FLUENT 軟件的組織形式30-31
• 3.1.2 FLUENT 軟件模擬計(jì)算的步驟31
• 3.2 數(shù)值模擬方法31-34
• 3.2.1 模擬中的假設(shè)31-32
• 3.2.2 數(shù)值計(jì)算中的控制方程及求解32-34
• 3.3 紊流 RNGk- 模型34
• 3.4 壁面處理方法34-36
• 3.6 控制方程的求解及方程收斂判據(jù)36-38
• 3.6.1 控制方程的求解36-37
• 3.6.2 控制方程收斂判據(jù)37-38
• 3.7 本章小結(jié)38-40
• 第四章 風(fēng)熱壓耦合作用下組合式太陽能煙囪性能研究40-62
• 4.1 物理模型的建立和計(jì)算區(qū)域的確定40-41
• 4.1.1 物理模型的建立40
• 4.1.2 計(jì)算區(qū)域的確定40-41
• 4.2 網(wǎng)格的劃分及獨(dú)立性考核41-42
• 4.3 模型有效性驗(yàn)證42-43
• 4.4 邊界條件和數(shù)值計(jì)算方法43-45
• 4.4.1 邊界條件43-44
• 4.4.2 數(shù)值計(jì)算方法44-45
• 4.5 結(jié)果分析45-59
• 4.5.1 組合式太陽能煙囪寬度對(duì)通風(fēng)性能的影響45-50
• 4.5.1.1 不同寬度下的組合式煙囪通風(fēng)量45-46
• 4.5.1.2 組合式太陽能煙囪溫度場46-48
• 4.5.1.3 組合式煙囪進(jìn)出口局部流場48-49
• 4.5.1.4 組合式煙囪進(jìn)口截面速度49-50
• 4.5.2 組合式太陽能煙囪傾斜部分斜面長度對(duì)通風(fēng)性能的影響50-55
• 4.5.2.1 不同斜面長度下溫度場和流場50
• 4.5.2.2 不同斜面長度下的組合式煙囪通風(fēng)量50-53
• 4.5.2.3 不同斜面長度下煙囪豎直部分一半高度處截面速度分布53
• 4.5.2.4 不同斜面長度下煙囪進(jìn)口截面速度特性53-54
• 4.5.2.5 不同斜面長度下煙囪出口截面溫度和速度特性54-55
• 4.5.3 組合式太陽能煙囪出口速度55-57
• 4.5.4 組合式太陽能煙囪進(jìn)出口壓差57-58
• 4.5.5 組合式太陽能煙囪進(jìn)出口溫差58-59
• 4.6 本章小結(jié)59-62
• 第五章 組合式太陽能煙囪的優(yōu)化及其性能研究62-78
• 5.1 優(yōu)化的組合式太陽能煙囪結(jié)構(gòu)及其通風(fēng)原理62-64
• 5.2 局部溫度場對(duì)比分析64-65
• 5.3 局部速度場對(duì)比分析65-66
• 5.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)通風(fēng)量對(duì)比分析66-67
• 5.5 優(yōu)化結(jié)構(gòu)與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)煙囪出口速度對(duì)比分析67-68
• 5.6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)煙囪豎直部分一半高度處截面速度對(duì)比分析68-69
• 5.7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)煙囪的通風(fēng)性能研究69-75
• 5.7.1 不同百葉窗位置的通風(fēng)性能69-70
• 5.7.2 不同百葉葉片角度性能70-71
• 5.7.3 優(yōu)化后通風(fēng)量隨熱流密度的變化關(guān)系71-72
• 5.7.4 不同熱流密度下出口溫度72-73
• 5.7.5 不同風(fēng)速下出口溫度73
• 5.7.6 不同室外風(fēng)速下煙囪出口風(fēng)速73-75
• 5.7.7 不同熱流密度下煙囪出口風(fēng)速75
• 5.8 本章小結(jié)75-78
• 第六章 結(jié)論及后續(xù)工作建議78-80
• 6.1 本文的主要研究工作總結(jié)78-79
• 6.1.1 風(fēng)熱壓耦合作用的組合式太陽能煙囪的通風(fēng)性能78-79
• 6.1.2 優(yōu)化的組合式太陽能煙囪的通風(fēng)性能79
• 6.2 后續(xù)工作建議79-80
• 參考文獻(xiàn)80-84
• 致謝84-86
• 攻讀學(xué)位期間成果86

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