无盖板太阳墙换热过程的数值研究

论文摘要

在太阳能建筑的发展过程中,亟需解决太阳能与建筑一体化的问题。多孔渗透型太阳墙供热系统是解决以上问题的有效途径之一。本论文利用CFD技术,从多孔集热板的局部换热和太阳墙的整体流动两个方面进行数值研究,并对局部的流动换热进行了场协同分析。通过多孔集热板进行数值模拟和场协同分析发现:空气流过多孔集热板时不仅存在粘性阻力损失,还存在着惯性损失;在外表面区域内空气的温度场和速度场的协同程度最高,是空气和集热板之间的主要换热区域;渗流速度是影响集热性能的主要因素,孔距和孔径对热性能的影响较小;对于特定的集热板,换热效率只和雷诺数、孔隙率以及集热板的相对厚度有关,并给出了准则关联式;和传统的集热板相比,空气流过多孔渗透型集热板时的场协同性要好。本论文还建立了适用于多孔渗透型太阳墙的多孔介质模型,并以太阳墙表面风压的形式引入风速的影响。通过模型的数值计算发现,在太阳墙表面的顶部和底部区域速度小于平均抽吸速度,但对于高度较小的太阳墙,不会发生回流现象;随着抽吸速度的增大,风速的影响越来越小,表面温度和速度分布越均匀;空腔厚度越小,表面的温度和速度分布越不均匀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国建筑所面临的问题
• 1.1.2 无盖板渗透型太阳墙系统
• 1.1.3 太阳墙的强化传热问题
• 1.2 多孔太阳墙的应用研究现状
• 1.2.1 国内应用研究现状
• 1.2.2 国外应用研究现状
• 1.3 CFD 技术简介
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 多孔集热板的数值研究
• 2.1 多孔集热板模型
• 2.2 数学模型的建立
• 2.2.1 计算区域的控制方程
• 2.2.2 边界条件的确定
• 2.2.3 无量纲准则数
• 2.3 网格的划分与计算求解
• 2.3.1 网格的划分
• 2.3.2 参数范围的确定
• 2.3.3 耦合边界的计算求解
• 2.4 多孔集热板的流动换热分析
• 2.4.1 渗流流速对集热板流动换热的影响
• 2.4.2 孔径对集热板流动换热的影响
• 2.4.3 孔距对集热板流动换热的影响
• 2.5 多孔集热板的热性能分析
• 2.5.1 渗流速度对集热板性能的影响
• 2.5.2 孔径对集热板性能的影响
• 2.5.3 孔距对集热板性能的影响
• 2.5.4 太阳辐射强度对集热板性能的影响
• 2.5.5 室外温度对集热板性能的影响
• 2.6 无因次分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 多孔集热板的场协同分析
• 3.1 场协同原理的简介
• 3.2 场协同原理的应用发展现状
• 3.3 场协同原理的评价指标
• 3.4 多孔集热板和传统平板集热板的场协同比较
• 3.5 多孔集热板的场协同分析
• 3.5.1 渗流速度对场协同角的影响
• 3.5.2 孔径对场协同角的影响
• 3.5.3 孔距对场协同角的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 太阳墙的多孔介质模型
• 4.1 引言
• 4.2 数值研究方法
• 4.3 太阳墙多孔介质模型
• 4.3.1 控制方程
• 4.3.2 分布阻力模型
• 4.3.3 局部热力学不平衡模型
• 4.4 室外风速的引入
• 4.5 本章小结
• 第5章 太阳墙的流动与换热分析
• 5.1 引言
• 5.2 太阳墙的控制方程
• 5.3 计算求解
• 5.3.1 计算参数的范围
• 5.3.2 浮力项处理
• 5.3.3 多孔介质能量方程的处理
• 5.4 太阳墙的流动换热分析
• 5.4.1 抽吸速度对流动换热的影响
• 5.4.2 迎面风速对流动换热的影响
• 5.4.3 空腔厚度对流动换热的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢