基于CFD数值模拟技术的大型钢铁厂房自然通风的优化设计研究 ——以某硅钢热源厂房建筑为例

论文摘要

建筑在建造和使用的过程中消耗了大量的能源,工业建筑的能耗占了相当比例。大型钢铁工业厂房体积大,并且内部存生产性热源,厂房在生产过程中会产生大量的余热、余湿和有害气体,严重影响工人的工作环境和仪器的正常使用。如果这些影响环境的不利因素全部靠机械排风解决的话将会产生大量的能耗。自然通风通风量大,能有效改善工厂内部的热环境,同时自然通风作为一种零能耗的通风方式可以节约常规能源,减少对环境的污染。随着对产品质量要求和工作生活品质要求的提高,工人对厂房内部工作环境的要求也越来越高。很多厂房都选择自然通风的方式以节约厂房运行的成本,然而厂房建筑设计人员往往仅凭经验和规范来进行自然通风设计,实地测量表明厂房建造出来之后,其通风的效果不一定能满足工人工作需要和仪器运行需要。大型钢铁工业厂房其内部有大量生产性热源,由自然通风的原理得知热压通风是厂房的主要通风形式。为避免进气短流现象,应尽量降低中和面的高度使中和面位置靠近热源。这样做可以使得室外的新鲜空气尽量流经热源带走余热。降低中和面的高度可以通过增加进、排风口的高差来实现。增加排风口的高度会使得排风压力加大,排风压力加大意味着排风口的面积减小。排风口的面积大小的确定对厂房的工程造价,降低土建工程投资起一定的作用。不言而喻,在厂房设计之前对进排风口高度和面积等参数的确定有较大意义。确定在减少工程造价的同时,如何让厂房自然通风的效果达到最优是本次课题研究的主要目的,这对厂房的结构和通风设计会起一定的理论指导作用。本文针对大型钢铁工业厂房建筑,采用CFD数值模拟技术,利用标准k-湍流模型对其自然通风情况进行数值模拟,对厂房内部不同断面的温度场和速度场进行分析,模拟数据结果与实测数据对比比较吻合,验证了模型的可靠性,同时分析厂房内部通风存在的问题,对比实测的数据对厂房进、排风口的各项参数提出优化设计意见。在调研的多个厂房中笔者最终选择一个厂房通风环境较差的典型案例进行优化改造。经过数值模拟之后发现,由于该厂房的进、排风口设计不合理,厂房内热环境存在很大的问题。本文针对进、排风口的标高和面积这两个厂房建筑结构参数提出改进方案。第一、三改进方案分别针对排、进风口高度进行优化,分别改变排、进风口的标高,得出厂房不同断面温度场和速度场的变化,得出结论:提高排风口的高度有利于厂房的自然通风,这一点与文献吻合。第二、四改进方案分别针对排、进风口面积进行优化,分别改变排风口的面积,得出厂房不同断面温度场和速度场的变化,得出优化方案。结合四个不同的优化结果,逐步得出厂房最佳自然通风设计方案。研究的结果对厂房进、排风口的设计提供了理论依据,对实现工业建筑节能,建设绿色钢铁企业具有一定的理论指导意义和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究对象和目的
• 1.3 国内外相关研究以及案例
• 1.4 研究内容及方法
• 1.5 论文基本框架
• 2 工业厂房自然通风原理
• 2.1 工业厂房热环境
• 2.2 通风原理
• 2.3 自然通风的研究方法
• 2.4 自然通风的计算
• 2.5 小结
• 3 CFD 技术在建筑环境中的应用
• 3.1 计算流体力学（COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC，CFD）
• 3.2 CFD 工作原理
• 3.3 对计算机配置的要求
• 3.4 模型的建立
• 3.5 前处理
• 3.6 求解器
• 3.8 后处理
• 3.9 小结
• 4 模型对象建立
• 4.1 厂房的描述
• 4.2 研究内容的选取
• 4.3 研究方法和技术路线
• 4.4 小结
• 5 优化方案模型
• 5.1 方案一：加设排风口对厂房自然通风环境的影响
• 5.2 方案二：排风口高度对厂房自然通风的影响
• 5.3 方案三：排风口面积对厂房自然通风的影响
• 5.4 方案四：进风口高度对厂房自然通风的影响
• 5.5 方案五：进风口的面积对厂房的影响
• 5.6 确定最后方案
• 6 全文结论和工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 论文后续工作和未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的论文