自然通風(fēng)與建筑蓄熱耦合的傳熱機(jī)理及模擬方法研究

建筑節(jié)能和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)是建筑可持續(xù)發(fā)展的兩大主題。自然通風(fēng)與建筑蓄熱的耦合模擬研究，不僅是我國(guó)建筑可持續(xù)發(fā)展以及室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)中迫切需要解決的重要問題，也是國(guó)際上對(duì)流導(dǎo)熱耦合研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。本項(xiàng)目以理論分析和數(shù)值模擬為主要手段，以自然通風(fēng)與建筑蓄熱的一體化研究為主題，致力于建立自然通風(fēng)與建筑蓄熱耦合分析的合理模型和求解算法，探索和揭示自然通風(fēng)與建筑蓄熱的耦合傳熱機(jī)理和室內(nèi)溫度的響應(yīng)規(guī)律。 通過研究，發(fā)展了三維自然風(fēng)場(chǎng)及室內(nèi)流場(chǎng)耦合的大規(guī)模精細(xì)化數(shù)值模擬技術(shù)，建立不同建筑蓄熱體非穩(wěn)態(tài)傳熱的模型和算法，提出了一種基于超聲回波法的測(cè)量建筑蓄熱體內(nèi)部溫度場(chǎng)或建筑墻體表面等效熱邊界條件的探測(cè)方法，開展了自然通風(fēng)與建筑蓄熱一體化研究的建模、求解和分析，系統(tǒng)探討了近地表自然風(fēng)的三維動(dòng)態(tài)特性、室內(nèi)外微環(huán)境變化規(guī)律及各種因素對(duì)室內(nèi)溫度的影響。項(xiàng)目開發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文12篇（其中SCI 2篇，EI 5篇），申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利8項(xiàng)（6項(xiàng)排名第一，2項(xiàng)排名第二），實(shí)用新型專利授權(quán)1項(xiàng)（排名第一），培養(yǎng)風(fēng)能與風(fēng)工程專業(yè)碩士一名。相關(guān)成果作為“相變儲(chǔ)能技術(shù)研究及其在建筑節(jié)能與飛行器熱安全領(lǐng)域的應(yīng)用”項(xiàng)目的一部分，獲得2015年四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第六）。 研究結(jié)果可以為室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)、自然通風(fēng)及建筑蓄熱技術(shù)的應(yīng)用以及推廣被動(dòng)式建筑等提供一定理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

建筑節(jié)能和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)是建筑可持續(xù)發(fā)展的兩大主題。自然通風(fēng)與建筑蓄熱的耦合模擬研究，不僅是我國(guó)建筑可持續(xù)發(fā)展以及室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)中迫切需要解決的重要問題，也是國(guó)際上對(duì)流導(dǎo)熱耦合研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。本項(xiàng)目以理論分析和數(shù)值模擬為主要手段，以自然通風(fēng)與建筑蓄熱的一體化研究為主題，致力于建立自然通風(fēng)與建筑蓄熱耦合分析的合理模型和求解算法，探索和揭示自然通風(fēng)與建筑蓄熱的耦合傳熱機(jī)理和室內(nèi)溫度的響應(yīng)規(guī)律。本項(xiàng)目將重點(diǎn)發(fā)展三維自然風(fēng)場(chǎng)及室內(nèi)流場(chǎng)耦合的大規(guī)模精細(xì)化數(shù)值模擬技術(shù)，建立不同建筑蓄熱體非穩(wěn)態(tài)傳熱的模型和算法，開展自然通風(fēng)與建筑蓄熱一體化研究的建模、求解和分析，系統(tǒng)探討近地表自然風(fēng)的三維動(dòng)態(tài)特性、室內(nèi)外微環(huán)境變化規(guī)律及各種因素對(duì)室內(nèi)溫度的影響。研究結(jié)果可以為室內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)、自然通風(fēng)及建筑蓄熱技術(shù)的應(yīng)用以及推廣被動(dòng)式建筑等提供一定理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

自然通風(fēng)能兼顧建筑節(jié)能與改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。建筑蓄熱對(duì)自然通風(fēng)與室內(nèi)空氣流動(dòng)和熱狀況產(chǎn)生重要影響。本研究擬采用理論分析、數(shù)字模擬、CFD仿真與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探討建筑蓄熱與自然通風(fēng)非線形耦合關(guān)系，揭示建筑蓄熱對(duì)自然通風(fēng)量和室內(nèi)溫度波動(dòng)的影響規(guī)律。研究成果將為建筑材料的選取、混合通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與控制策略的確定打下理論基礎(chǔ)。 2100433B

流固耦合傳熱緊耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等開發(fā)了將流體及固體內(nèi)所有物理過程進(jìn)行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算資源，難以用于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認(rèn)為在計(jì)算時(shí)間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進(jìn)而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對(duì)于絕大多說(shuō)不能通過準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理直接轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題的瞬態(tài)問題，有些研究者主張保留耦合的非穩(wěn)態(tài)特性，提出各部分分別進(jìn)行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動(dòng)網(wǎng)格等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互的瞬態(tài)松耦合傳熱問題的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等針對(duì)高超聲速流中固體表面帶輻射及燒蝕相變過程的流固耦合強(qiáng)制對(duì)流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導(dǎo)熱、輻射及燒蝕相變過程分別進(jìn)行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，直至迭代收斂。Lohner 等針對(duì)飛機(jī)氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導(dǎo)熱和應(yīng)變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時(shí)利用固體應(yīng)變方程的計(jì)算結(jié)果修正流體耦合邊界位置和速度邊界條件，直至迭代收斂。

流固耦合傳熱松耦合

有些研究者提出了基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的松耦合算法，即近似認(rèn)為在整個(gè)流固耦合傳熱過程中，流場(chǎng)處于若干個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，每一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)都使用穩(wěn)態(tài) Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos結(jié)合二維邊界單元法和高超聲速計(jì)算流體力學(xué)( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機(jī)翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算與固體燒蝕和瞬態(tài)導(dǎo)熱的松耦合算法計(jì)算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B