自然通風與建筑蓄熱耦合的傳熱機理及模擬方法研究

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。自然通風與建筑蓄熱的耦合模擬研究，不僅是我國建筑可持續(xù)發(fā)展以及室內(nèi)熱舒適性評價中迫切需要解決的重要問題，也是國際上對流導熱耦合研究領(lǐng)域的熱點與難點。本項目以理論分析和數(shù)值模擬為主要手段，以自然通風與建筑蓄熱的一體化研究為主題，致力于建立自然通風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與建筑蓄熱的耦合傳熱機理和室內(nèi)溫度的響應規(guī)律。 通過研究，發(fā)展了三維自然風場及室內(nèi)流場耦合的大規(guī)模精細化數(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量建筑蓄熱體內(nèi)部溫度場或建筑墻體表面等效熱邊界條件的探測方法，開展了自然通風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的三維動態(tài)特性、室內(nèi)外微環(huán)境變化規(guī)律及各種因素對室內(nèi)溫度的影響。項目開發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文12篇（其中SCI 2篇，EI 5篇），申請國家發(fā)明專利8項（6項排名第一，2項排名第二），實用新型專利授權(quán)1項（排名第一），培養(yǎng)風能與風工程專業(yè)碩士一名。相關(guān)成果作為“相變儲能技術(shù)研究及其在建筑節(jié)能與飛行器熱安全領(lǐng)域的應用”項目的一部分，獲得2015年四川省科技進步一等獎1項（排名第六）。 研究結(jié)果可以為室內(nèi)熱舒適性評價、自然通風及建筑蓄熱技術(shù)的應用以及推廣被動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。自然通風與建筑蓄熱的耦合模擬研究，不僅是我國建筑可持續(xù)發(fā)展以及室內(nèi)熱舒適性評價中迫切需要解決的重要問題，也是國際上對流導熱耦合研究領(lǐng)域的熱點與難點。本項目以理論分析和數(shù)值模擬為主要手段，以自然通風與建筑蓄熱的一體化研究為主題，致力于建立自然通風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與建筑蓄熱的耦合傳熱機理和室內(nèi)溫度的響應規(guī)律。本項目將重點發(fā)展三維自然風場及室內(nèi)流場耦合的大規(guī)模精細化數(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)探討近地表自然風的三維動態(tài)特性、室內(nèi)外微環(huán)境變化規(guī)律及各種因素對室內(nèi)溫度的影響。研究結(jié)果可以為室內(nèi)熱舒適性評價、自然通風及建筑蓄熱技術(shù)的應用以及推廣被動式建筑等提供一定理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

自然通風能兼顧建筑節(jié)能與改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。建筑蓄熱對自然通風與室內(nèi)空氣流動和熱狀況產(chǎn)生重要影響。本研究擬采用理論分析、數(shù)字模擬、CFD仿真與實驗研究相結(jié)合的方法，探討建筑蓄熱與自然通風非線形耦合關(guān)系，揭示建筑蓄熱對自然通風量和室內(nèi)溫度波動的影響規(guī)律。研究成果將為建筑材料的選取、混合通風系統(tǒng)的合理設(shè)計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)所有物理過程進行瞬態(tài)緊耦合算法，能使計算結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。但是，該瞬態(tài)緊耦合計算需要消耗大量的計算資源，難以用于解決實際復雜工程問題。

根據(jù)問題的特征，有些研究者近似認為在計算時間內(nèi)，某些參數(shù)的狀態(tài)是不變的，進而直接將瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題。對于絕大多說不能通過準穩(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，提出各部分分別進行瞬態(tài)求解,并通過邊界條件、參數(shù)值及活動網(wǎng)格等方式進行實時信息交互的瞬態(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制對流傳熱問題，提出將流體 Navier-Stokes 方程與固體導熱、輻射及燒蝕相變過程分別進行瞬態(tài)求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對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 等針對飛機氣彈分析中帶固體形變的流固耦合傳熱問題，將流體 Navier-Stokes 方程及固體導熱和應變方程分別求解，并利用流體數(shù)值計算結(jié)果對其他求解方程的邊界溫度和熱流加以修正，同時利用固體應變方程的計算結(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穩(wěn)態(tài)流場的松耦合算法，即近似認為在整個流固耦合傳熱過程中，流場處于若干個準穩(wěn)態(tài)，每一個準穩(wěn)態(tài)的流場都使用穩(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算流體力學( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超聲速流與機翼前緣的耦合傳熱問題。Chen 和Zhang等交替進行穩(wěn)態(tài)流場計算與固體燒蝕和瞬態(tài)導熱的松耦合算法計算了帶燒蝕的流固耦合傳熱問題。2100433B