室內空氣多態(tài)模擬及對流反演.pdf

1、基于建筑通風、室內氣態(tài)污染物傳播、建筑圍護結構熱濕傳遞、室內工作區(qū)空氣環(huán)境控制、恐怖毒氣和火災監(jiān)測等實際工程需要，本文從室內空氣多態(tài)對流行為、室內空氣對流反演、室內空氣對流諧振、室內空氣雙擴散對流行為等方面開展相應的基礎研究工作。 首先，在相同物理邊界和不同初始條件的約束下，室內將呈現(xiàn)多組不同的空氣、熱和污染物輸運結構，即室內空氣多態(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、抑制有害物擴散、以更小的風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，探討了雙擴散自然對流、建筑通風等過程出現(xiàn)的室內空氣多態(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)合驅動的室內空氣雙擴散自然對流過程及其多態(tài)行為，并詳細模擬和分析了浮升力比、熱質源間距和熱源強度對室內空氣雙擴散對流過程及其多態(tài)行為的影響；模擬結果表明，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口的真實建筑室內空氣多態(tài)對流行為，分別探討了入流風速、房間寬度和送風口離地高度對通風室內空氣多態(tài)對流行為的影響；研究表明，室內通風多態(tài)行為與具體建筑高寬比和送風口高度有關；并且以較少的送風量能獲得更高的室內工作區(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水洞實驗模型室內流場，研究和驗證了由送風速度變化所形成的通

4、風室內空氣多態(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空氣流場分布。然而，實際工程實踐往往需要根據(jù)室內部分監(jiān)測或給定溫度(濃度)值反演確定熱源或污染源，即室內空氣對流反演。對流反演研究為打擊恐怖毒氣襲擊、預防火災、按人員需求設計室內空氣環(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)，分別開展了室內空氣自然對流反演、各向異性介質內空氣自然對流反演和室內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， 提出了室內空氣自然對流反演問題，統(tǒng)一描述和求解任意區(qū)域內自然對流正問題、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內空氣自然對流反演問題，分別探討了室內固塊導熱系數(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和室內熱浮升

6、力聯(lián)合作用的室內空氣混合對流反演問題，分別探討了外部通風強度、室內熱源強度、熱源分布特性等對室內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，室內空氣自然對流過程具有零能耗、零噪音等優(yōu)勢，但熱質輸運能力太弱。然而，當室內空氣自然對流系統(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、電子設備等經(jīng)常受周期性熱脈沖作用，通過改變相關設置(如家具、內飾、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、電子設備自然冷卻等提供更高效的工作模式?；诖?，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空氣自然對流諧振傳熱行為，并詳細分析了室內空氣流動及對流傳熱過程；數(shù)值模擬了室內空氣耦合自然對流熱諧振行為，分析了室內固體材

8、料容積和導熱性能對耦合自然對流諧振頻率和生長過程的影響。 最后，室內空氣雙擴散對流行為廣泛發(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)合驅動的多孔介質內空氣雙擴散自然對流問題，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動流、質浮力協(xié)同流、質浮力對抗流等不同階段的多孔介質內熱質輸運結構和性能的影響；研究結果為抑制建筑墻體熱濕傳遞、優(yōu)化設計空氣過濾設備等提供了理論依據(jù)