單開口自然通風(fēng)特性的實(shí)驗(yàn)與模擬研究.pdf

1、由于日常生活和工程實(shí)踐中，為了防火、安全和隱私的需要，單開口自然通風(fēng)現(xiàn)象很普遍。本文首先介紹了單開口自然通風(fēng)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出了單開口自然通風(fēng)流動(dòng)的不確定性及其復(fù)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jìn)深、熱源離地高度、熱源強(qiáng)度、室內(nèi)外溫差、室外

2、風(fēng)速、室外風(fēng)向等10個(gè)參數(shù)對單開口自然通風(fēng)的影響，對單開口自然通風(fēng)特性進(jìn)行了較為全面的分析研究。建立了單開口自然通風(fēng)的計(jì)算模型，并根據(jù)單開口自然通風(fēng)流動(dòng)及換熱機(jī)理，設(shè)計(jì)并制作應(yīng)用兩種新型窗戶，與傳統(tǒng)的平開窗和推拉窗的自然通風(fēng)效果進(jìn)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(fēng)特點(diǎn)，根據(jù)小開口和大開口流動(dòng)特性的差異，提出單開口自然通風(fēng)設(shè)計(jì)及計(jì)算時(shí)，首先要進(jìn)行小開口和大開口判斷，再應(yīng)用對應(yīng)的單開口計(jì)

3、算模型。分別介紹了熱壓單獨(dú)作用、風(fēng)壓單獨(dú)作用、熱壓風(fēng)壓共同作用三種情況下的單開口自然通風(fēng)計(jì)算模型。在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)小開口和大開口的自然通風(fēng)原理，通過合理假設(shè)簡化模型，進(jìn)行二維單開口通風(fēng)計(jì)算模型的數(shù)理推導(dǎo)，建立了小開口和大開口自然通風(fēng)模型。特別是針對復(fù)雜的大開口自然通風(fēng)，提出了兩個(gè)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(gè)研究模型的特點(diǎn)、使用方法及適用場合，為后面章節(jié)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)實(shí)測和CFD數(shù)值計(jì)算方法對單開口自然通風(fēng)特性進(jìn)行了研究。通過單開口自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)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(fēng)的影響，推導(dǎo)出了實(shí)驗(yàn)條件下，單開口自然通風(fēng)量簡易計(jì)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(shí)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(jìn)深、熱源離地高度、熱源強(qiáng)度、室內(nèi)外溫差、室

5、外風(fēng)速、室外風(fēng)向等10個(gè)參數(shù)分別變化時(shí)的工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對各參數(shù)變化時(shí)的溫度場、壓力場和流線進(jìn)行了分析比較，闡明了單開口自然通風(fēng)的流動(dòng)和換熱機(jī)理。并對各工況下的自然通風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算，分析了上述10個(gè)參數(shù)對自然通風(fēng)量的影響規(guī)律。
　　由于單開口通風(fēng)中室內(nèi)風(fēng)速較小，提出了按室內(nèi)氣流速度將室內(nèi)分為“微風(fēng)區(qū)”和“無風(fēng)區(qū)”兩個(gè)區(qū)域的方法，并進(jìn)行了各工況的比較分析。提出了“有效通風(fēng)長度”這一新概念，并對其進(jìn)行定義。重點(diǎn)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(fēng)速、室外風(fēng)向這六個(gè)參數(shù)對單開口自然通風(fēng)有效通風(fēng)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(dǎo)出了有效通風(fēng)長度的計(jì)算公式。
　　綜合實(shí)驗(yàn)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(fēng)量、室內(nèi)分區(qū)、有效通風(fēng)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(jì)算域?yàn)檫吔绲墓?/p>

7、流模型”，提出將帶有單開口的建筑整體作為一個(gè)局部阻力構(gòu)件，用無建筑的計(jì)算域管流進(jìn)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(jì)算方法，推導(dǎo)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(jì)算公式，并應(yīng)用在各種工況下進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)此時(shí)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(qiáng)度、熱源離地高度、室外風(fēng)速、室內(nèi)外溫差這八個(gè)參數(shù)的影響很小，主要受建筑進(jìn)深和室外風(fēng)向的影響。
　　最后，根據(jù)單開口自然通

8、風(fēng)特性的實(shí)驗(yàn)和模擬研究結(jié)果，為提高單開口自然通風(fēng)效果，考慮對開口裝置的改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作并應(yīng)用了兩種新型通風(fēng)窗戶——“上下對開垂直導(dǎo)風(fēng)窗”和“帶垂直導(dǎo)板的對開多葉中旋窗”。通過現(xiàn)場實(shí)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(fēng)效果進(jìn)行了比較分析。研究表明，兩種新型窗戶的自然通風(fēng)效果優(yōu)于傳統(tǒng)窗戶，特別是改進(jìn)了傳統(tǒng)窗戶對風(fēng)向的敏感性問題，對室外風(fēng)向的適應(yīng)性更強(qiáng)。研究中還發(fā)現(xiàn)了，“上下對開垂直導(dǎo)風(fēng)窗”中設(shè)置水平分流板，“帶垂直導(dǎo)