室内空气多态模拟及对流反演

论文摘要

基于建筑通风、室内气态污染物传播、建筑围护结构热湿传递、室内工作区空气环境控制、恐怖毒气和火灾监测等实际工程需要,本文从室内空气多态对流行为、室内空气对流反演、室内空气对流谐振、室内空气双扩散对流行为等方面开展相应的基础研究工作。首先,在相同物理边界和不同初始条件的约束下,室内将呈现多组不同的空气、热和污染物输运结构,即室内空气多态对流行为。在工程实践中,可以通过施加不同的初始条件实现人们所期望的空气流动和热质传递模式,如营造有利的工作区空气环境、抑制有害物扩散、以更小的风量获取更大的工作区空气置换能力等。本文采用CFD数值模拟和PIV水洞模型实验等方法,探讨了双扩散自然对流、建筑通风等过程出现的室内空气多态对流行为,并完成了如下有特色的工作:数值探讨了离散热源及污染源联合驱动的室内空气双扩散自然对流过程及其多态行为,并详细模拟和分析了浮升力比、热质源间距和热源强度对室内空气双扩散对流过程及其多态行为的影响;模拟结果表明,采用不同的初始条件和控制参数,可以实现各类工程所需的室内空气、热与污染物的对流传输模式;数值模拟了具有三组通风口的真实建筑室内空气多态对流行为,分别探讨了入流风速、房间宽度和送风口离地高度对通风室内空气多态对流行为的影响;研究表明,室内通风多态行为与具体建筑高宽比和送风口高度有关;并且以较少的送风量能获得更高的室内工作区空气置换量;采用PIV粒子图像测速系统非接触式地测量了真实建筑通风水洞实验模型室内流场,研究和验证了由送风速度变化所形成的通风室内空气多态对流行为。其次,通常的CFD数值模拟过程都是依据边界条件、初始条件等确定室内空气流场分布。然而,实际工程实践往往需要根据室内部分监测或给定温度(浓度)值反演确定热源或污染源,即室内空气对流反演。对流反演研究为打击恐怖毒气袭击、预防火灾、按人员需求设计室内空气环境等提供了直接的理论依据。本文从共轭梯度方法出发,分别开展了室内空气自然对流反演、各向异性介质内空气自然对流反演和室内空气混合对流反演等多项创新研究工作,具体概述如下,提出了室内空气自然对流反演问题,统一描述和求解任意区域内自然对流正问题、灵敏度问题以及伴随问题,并分别探讨了未知边界热流分布特性、温度传感器位置和数量、测量误差等对室内空气自然对流反演精度和效率的影响;提出和研究各向异性介质内空气自然对流反演问题,分别探讨了室内固块导热系数、固块尺寸、传感器位置、未知热流分布特性和测量误差等对室内空气耦合对流反演精度和效率的影响;提出和研究受外部通风和室内热浮升力联合作用的室内空气混合对流反演问题,分别探讨了外部通风强度、室内热源强度、热源分布特性等对室内混合对流空气和热输运过程的影响,并分析了流场控制参数、监测点位置和测量误差等因素对混合对流反演计算效率和精度的影响。再次,相对受迫对流过程而言,室内空气自然对流过程具有零能耗、零噪音等优势,但热质输运能力太弱。然而,当室内空气自然对流系统受热脉冲作用,并且脉冲频率与系统本征频率接近,自然对流过程将出现谐振传热行为,系统换热系数和能力被显著地激励。建筑、太阳能集热器、电子设备等经常受周期性热脉冲作用,通过改变相关设置(如家具、内饰、集热器倾斜角度、器件布置等),营造或避免自然对流热谐振过程,为建筑隔热、太阳能采集、电子设备自然冷却等提供更高效的工作模式。基于此,本文开展了如下有特色的研究工作,数值模拟和尺度解析了多组离散热源引起的室内空气自然对流谐振传热行为,并详细分析了室内空气流动及对流传热过程;数值模拟了室内空气耦合自然对流热谐振行为,分析了室内固体材料容积和导热性能对耦合自然对流谐振频率和生长过程的影响。最后,室内空气双扩散对流行为广泛发生在建筑墙体热湿传递、食品加工和谷物储藏、空气过滤净化等过程中。本文提出了局部热源污染源联合驱动的多孔介质内空气双扩散自然对流问题,并运用尺度分析和数值模拟方法分析了局部源位置和尺寸对热浮力驱动流、质浮力协同流、质浮力对抗流等不同阶段的多孔介质内热质输运结构和性能的影响;研究结果为抑制建筑墙体热湿传递、优化设计空气过滤设备等提供了理论依据和指导。

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摘要

Abstract

主要符号表

第1章绪论

1.1 室内空气多态对流行为研究

1.1.1 多态对流行为的概念和意义

1.1.2 多态对流行为研究综述

1.2 室内空气对流反演研究

1.2.1 对流反演的概念和意义

1.2.2 对流反演研究综述

1.3 室内空气自然对流谐振研究

1.3.1 自然对流谐振的概念和意义

1.3.2 自然对流谐振研究综述

1.4 室内空气双扩散对流行为研究

1.5 本文研究内容

第2章室内空气双扩散自然对流多态行为与模拟

2.1 引言

2.2 物理问题描述

2.2.1 控制方程

2.2.2 边界条件

2.2.3 双扩散对流传输及其可视化

2.3 数值方法与验证

2.4 结果与讨论

2.4.1 浮升力比对多态解的影响

2.4.2 热质源间距对多态解的影响

2.4.3 热源强度对多态解的影响

2.5 本章小结

第3章通风室内空气对流多态行为与模拟

3.1 引言

3.2 机械通风房间物理模型和控制方程

3.3 室内通风效率及其评价参数

3.4 数值模拟方法与程序验证

3.5 计算结果与讨论

3.5.1 典型室内多态通风行为探讨

3.5.2 房间长度对多态流动过程的影响

3.5.3 送风口中心水平高度对多态流动过程的影响

3.6 本章小结

第4章通风室内空气对流多态行为PIV 实验研究

4.1 引言

4.2 水洞实验模型和实验平台

4.2.1 通风房间与水洞实验模型

4.2.2 水箱模型实验系统

4.2.3 PIV 速度粒子图像测速系统基本原理

4.2.4 实验用PIV 速度粒子图像测速系统技术说明

4.2.5 PIV 水洞实验基本步骤

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 稳态流动分析及CFD 验证

4.3.2 流动多态行为分析

4.4 本章小结

第5章室内空气自然对流反演墙面热流

5.1 引言

5.2 任意封闭域内自然对流问题描述

5.3 自然对流反演的函数优化公式

5.3.1 灵敏度问题

5.3.2 伴随问题

5.4 对流反演基本步骤及测量误差分析

5.5 CGM 三类流场的统一数值模拟方法

5.5.1 数值模拟方法

5.5.2 收敛解判断及程序验证

5.6 自然对流模拟及分析

5.7 自然对流反演及讨论

5.7.1 热Rayleigh 数对流动反演计算结果的影响

5.7.2 传感器位置和数量对反演结果的影响分析

5.7.3 边界热流特性对反演结果的影响

5.7.4 测量误差对反演结果的影响和分析

5.8 本章小结

第6章室内空气耦合自然对流反演墙面热流

6.1 引言

6.2 耦合自然对流和导热问题描述

6.3 耦合自然对流反演的函数优化公式

6.3.1 灵敏度问题

6.3.2 伴随问题

6.4 三类耦合对流问题的统一数值模拟方法

6.5 耦合自然对流反演基本步骤

6.6 耦合自然对流数值模拟及分析

6.6.1 边界热流特性对耦合对流换热过程的影响

6.6.2 相对导热系数对耦合对流换热过程的影响

6.6.3 固块尺寸对耦合对流换热过程的影响

6.7 耦合自然对流反演及讨论

6.7.1 相对导热系数对反演结果的影响

6.7.2 室内固块尺寸对反演结果的影响

6.7.3 传感器位置对反演结果的影响

6.7.4 热流函数分布特性和测量误差对反演结果的影响

6.8 本章小结

第7章通风室内空气混合对流反演墙面热流

7.1 引言

7.2 任意域内混合对流物理和数学模型

7.3 混合对流反演的函数优化公式

7.3.1 灵敏度问题

7.3.2 伴随问题

7.4 CGM 三类流场的统一数值模拟方法

7.5 收敛解判断及混合对流计算程序验证

7.6 混合对流反演基本步骤及测量误差

7.7 室内空气混合对流数值模拟及分析

7.7.1 边界热流分布特性对混合对流过程的影响

7.7.2 送风强度对混合对流过程的影响

7.7.3 热源强度对混合对流运过程的影响

7.8 混合对流数值反演及讨论

7.8.1 传感器位置对混合对流反演的影响

7.8.2 送风强度对混合对流反演的影响

7.8.3 热源强度对流动反演计算结果的影响

7.8.4 边界热流特性和测量误差对反演结果的影响

7.9 本章小结

第8章室内空气自然对流谐振模拟及分析

8.1 引言

8.2 离散热源驱动的室内谐振自然对流

8.2.1 物理及数学模型

8.2.2 对流换热率及振荡评价指标

8.2.3 数值模拟方法及验证

8.2.4 谐振频率尺度解析

8.2.5 结果与讨论

8.3 室内耦合固体导热过程的谐振自然对流

8.3.1 数学模型

8.3.2 动态耦合对流传热过程评价参数

8.3.3 数值求解方法

8.3.4 数值模拟结果及分析

8.4 本章小结

第9章室内空气自然对流尺度模拟及分析

9.1 引言

9.2 物理模型

9.3 对流传热传质性能及输运结构

9.4 数值模拟方法及程序验证

9.5 双扩散自然对流尺度解析

9.5.1 热力驱动流

9.5.2 质浮升力驱动流

9.6 数值模拟结果及解析讨论

9.6.1 热质源位置对双扩散自然对流的影响

9.6.2 热质源尺寸对双扩散自然对流的影响

9.6.3 热质输运尺度及数值拟合

9.7 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间的主要研究成果

室内空气多态模拟及对流反演

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