城市不透水表面对流换热系数的实测和模拟研究

论文摘要

城市不透水表面长时间暴露在随时间不断随机变化的环境条件下,与大气之间的对流换热过程受到室外温度、相对湿度、风速、风向以及太阳辐射等各种因素的影响,是一个复杂的动态过程,从而使得城市不透水表面对流换热系数难以准确测量或推算得到。到目前为止建筑墙体外表面对流换热系数还没有得到系统的研究。对于这样的一个重要领域,目前国内外关于对流换热方面的实测数据严重缺乏,在现有的空调负荷计算方法中,一直采用经验值,且取值各异,更没有较好的确定方法,从而给建筑热工、室内采暖空调负荷、建筑能耗分析及计算带来很大的误差。研究表明,表面对流换热系数15%的不确定量可以导致建筑围护结构预测热流15～20%的不确定量。针对传统实测方法设备复杂、精度难于把握,而模型实验又缺乏相似性的问题,本课题在前人工作的基础上,以热质比拟基本原理为基础,针对室外环境特点,开发出适用于城市不透水表面对流换热的萘升华技术,使该技术可以在室外环境中应用。通过热平衡法与萘升华技术法对建筑外水平表面同时进行实测研究,来验证萘升华技术法的可靠性和准确性。在萘升华技术法的可靠性和准确性得到保证后,利用该技术对建筑群外表面、城市街道路面进行多点的室外实测,来考察表面形状与尺寸、测点空间位置、建筑高度与密度、风速、风向及温差等因素对对流换热的影响。以传热学边界层湍流对流换热理论为理论基础,利用实测数据建立城市不透水表面对流换热的数学模型。通过CFD计算模型的耦合计算,研究在不同的建筑工况及气象条件下建筑外表面对流换热系数、对流换热量及建筑墙体传热量的静态分布规律。本课题以建筑热工学、传热学相关理论为基础,研究城市不透水表面的对流换热特性,在城市气候学研究中具有创新意义。为准确预测建筑负荷、研究城市冠层内的热动力特性,解决城市高温化和热岛效应等城市热气候问题提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 城市不透水表面对流换热系数的研究现状
• 1.2.1 现有城市不透水表面对流换热系数的取值方法
• 1.2.2 城市不透水表面对流换热系数的测试方法
• 1.2.3 城市不透水表面对流换热系数的实测手段
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 城市不透水表面对流换热系数的实测
• 2.1 萘升华技术法
• 2.1.1 萘升华技术法的发展历史
• 2.1.2 萘升华技术法的原理
• 2.2 实测过程所使用的仪器及其性能
• 2.3 城市不透水表面对流换热系数萘升华实测步骤和误差分析
• 2.4 城市不透水表面对流换热系数实测
• 2.4.1 萘升华技术法与热平衡法的对比验证实测
• 2.4.2 建筑群外表面测点的布置及实测
• 2.4.3 不透水人工路面测点的布置及实测
• 2.5 本章小结
• 第3章 对流换热系数实测结果及数据分析
• 3.1 实测过程的气象状况
• 3.2 萘升华技术法与热平衡法的对比分析
• 3.3 建筑群外表面实测结果分析
• 3.3.1 A 楼建筑外表面实测结果分析
• 3.3.2 B 楼建筑外表面实测结果分析
• 3.3.3 A、B 两建筑的对比分析
• 3.4 城市不透水路面实测结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 CFD 模拟理论基础及应用现状
• 4.1 湍流数值模拟方法简介
• 4.1.1 湍流数值模拟方法分类
• 4.1.2 直接数值模拟（DNS）
• 4.1.3 大涡模拟（LES）
• 4.1.4 Reynolds 平均法（RANS）
• 4.2 湍流时均方程
• 4.3 湍流模型简介
• 4.3.1 标准的k-ε模型
• 4.3.2 RNG k-ε模型（Renormalization Group）
• 4.3.3 Launder-Kato 模型
• 4.4 建筑周围气流流动与换热特性的CFD 模拟研究现状
• 4.5 本章小结
• 第5章 Fluent 模拟结果的对比验证及分析
• 5.1 Fluent 模拟结果的对比验证
• 5.2 建筑外表面对流换热的模拟分析
• 5.2.1 物理模型的建立
• 5.2.2 模拟结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢