零方程模型在室外建筑绕流的模拟研究

论文摘要

室外微气候既决定室外环境的舒适性和空气品质,又影响建筑能耗及自然通风效果,因此室外微气候的研究及优化设计在人居环境被日益重视的今天具有很重要的意义。当前我国正在大量新建住宅小区,迫切需要能配合建筑设计对其室外环境进行优化的模拟分析方法。目前室外模拟广泛应用的湍流模型是标准k-ε模型及其各种改进模型,这类模型模拟分析较为准确,但其计算量较大往往无法与建筑设计进程相配合。相比较标准k-ε两方程模型而言,零方程模型能显著减少计算量,但目前缺乏专门针对室外建筑绕流模拟开发的零方程模型。本文对现有的用于空气流动模拟的零方程模型进行分析总结,并对其中两种主要的零方程模型在建筑绕流模拟领域进行应用,证实模拟结果都不理想。通过对大气边界层建筑绕流中标准k-ε模型计算结果中湍流粘性系数的分布和建筑存在对流场混合长度产生影响的分析,笔者提出两种新的两层零方程模型。内层为混合长度模型形式,外层为MIT零方程模型形式。文中给出了新的零方程和标准k-ε模型的大量数值模拟结果对比,并与风洞实验结果进行比较以验证新的零方程模型的室外绕流模拟的适用情况。第一种零方程模型对于建筑高度和长高比统一的工况,如一片建筑形态相似的住宅小区,在计算时能够节约计算时间并得出与标准k-ε模型很接近的模拟结果。第二种零方程模型对于建筑形式复杂的工况,能够方便快速的得出较为理想的模拟结果。文中最后把第二种新的零方程模型应用于实际小区算例中,模拟结果与实测数据较为吻合。本文提出的两种新的适用于室外建筑绕流模拟的零方程模型,使提高模拟室外绕流的计算速度成为可能,有望在实际工程中推广应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 建筑绕流主要特点
• 1.3 建筑绕流的各种研究方法
• 1.4 本文的主要工作和创新点
• 第2章 室外建筑绕流数值模拟基础
• 2.1 控制微分方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 涡旋粘性理论
• 2.2.2 代数方程模型
• 2.2.3 两方程模型
• 2.2.4 一方程模型
• 2.3 边界条件
• 2.4 PHOENICS 二次开发
• 第3章 现有零方程模型相关理论的分析
• 3.1 现有的零方程模型
• 3.1.1 Prandtl 混合长度模型
• 3.1.2 Prandtl 新模型
• 3.1.3 Cebeci-Smith 模型
• 3.1.4 Baldwin-Lomax 模型
• 3.1.5 MIT 零方程模型
• 3.2 零方程模型在大气边界层动力学的应用
• 3.2.1 大气边界层中的K 理论
• 3.2.2 植被存在对混合长度的影响
• 3.3 现有零方程模型在室外建筑绕流的模拟研究
• 3.4 总结
• 第4章 第一种新的零方程模型
• 4.1 模型中系数的确定
• MIT 中待定系数φ1 的确定'>4.1.1 ν_MIT 中待定系数φ1 的确定
• mixlength 中待定系数φ 2 的确定'>4.1.2 ν_mixlength 中待定系数φ 2 的确定
• 4.2 数值计算及结果讨论
• 4.2.1 风洞实验的对比
• 4.2.2 真实尺度建筑的对比
• 4.3 总结
• 第5章 第二种新的零方程模型
• 5.1 模型中系数的确定
• 5.2 数值计算及结果讨论
• 5.2.1 风洞实验的对比
• 5.2.2 真实尺度建筑的对比
• 5.3 总结
• 第6章 零方程模型与标准k-ε模型计算成本的比较
• 6.1 不同网格下流形的对比
• 6.1.1 第1 种网格下的结果
• 6.1.2 第2 种网格下的结果
• 6.1.3 第3 种网格下的结果
• 6.2 不同网格下计算时间的对比
• 6.3 总结
• 第7章 实际小区算例验证
• 7.1 小区介绍
• 7.2 实验测试介绍
• 7.3 CFD 建模说明
• 7.4 模拟与实测的比对
• 7.5 总结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 本课题进一步工作的建议与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果