建筑外表面對(duì)流換熱特性研究.pdf

1、隨著城市人口越來越多，降低城市建筑能耗和改善城市熱環(huán)境對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要影響。建筑外表面對(duì)流換熱系數(shù)是建筑能耗及城市熱氣候預(yù)測中的一個(gè)重要參數(shù)。本文研究了建筑外表面對(duì)流換熱系數(shù)現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的方法，并通過這些方法對(duì)建筑外表面對(duì)流換熱問題做進(jìn)一步研究。
　　本研究首先通過文獻(xiàn)調(diào)研和可行性分析開發(fā)出了適用于建筑外表面對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)測的萘升華方法；比較了萘升華法和熱平衡法實(shí)測建筑水平外表面對(duì)流換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種方法

2、得到的結(jié)果在風(fēng)速較大時(shí)有一定差別，分析了萘升華法和熱平衡法的儀器誤差，由于傳統(tǒng)的熱平衡法使用儀器較多，容易造成累積誤差，且本實(shí)驗(yàn)采用了建筑熱工中常用的穩(wěn)態(tài)熱流計(jì)，因此，本實(shí)驗(yàn)的熱平衡法的儀器誤差較大。
　　利用萘升華法，本研究對(duì)建筑水平外表面和豎直外表面的對(duì)流換熱進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。實(shí)測結(jié)果表明建筑外表面對(duì)流換熱系數(shù)和當(dāng)?shù)仫L(fēng)速及建筑頂部風(fēng)速都成線性關(guān)系；風(fēng)的湍動(dòng)可以增強(qiáng)建筑外表面對(duì)流換熱；相同建筑頂部風(fēng)速條件下，迎風(fēng)面的對(duì)流換熱系數(shù)最

3、大，背風(fēng)面的最小，并給出了不同外表面對(duì)流換熱系數(shù)的代數(shù)預(yù)測式。通過現(xiàn)場實(shí)測分別給出建筑水平外表面和豎直外表對(duì)流換熱系數(shù)與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速或建筑頂部風(fēng)速的簡單代數(shù)關(guān)系式；通過進(jìn)一步的分析，研究了室外自然風(fēng)的湍動(dòng)、風(fēng)向、表面大小等因素對(duì)建筑外表面對(duì)流換熱的影響，并分別給出了反映自然風(fēng)湍動(dòng)作用的建筑水平和豎直外表面對(duì)流換熱系數(shù)的代數(shù)預(yù)測式；為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具普適性，最后分別給出了建筑水平和豎直外表面反映湍動(dòng)和建筑尺寸影響的對(duì)流換熱無量綱關(guān)聯(lián)式。

4、>　　為了研究對(duì)流換熱系數(shù)在建筑或建筑群外表面的分布，通過分析建筑繞流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)比研究現(xiàn)有的湍流模型在預(yù)測建筑繞流模擬中的表現(xiàn)，本研究改進(jìn)了三階非線性渦粘性模型，以使其更適用于建筑外表面對(duì)流換熱模擬的CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬，并通過建筑或建筑群繞流的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、大渦模擬數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了改進(jìn)的非線性渦粘性模型在建筑繞流問題預(yù)測中的準(zhǔn)確性。改進(jìn)的非線性渦粘性模型一方面修正了標(biāo)準(zhǔn) k-ε

5、模型預(yù)測建筑前端沖擊區(qū)湍動(dòng)動(dòng)能預(yù)測過大的問題，同時(shí)加強(qiáng)了尾跡區(qū)的湍動(dòng)動(dòng)能，正確的預(yù)測了建筑背后的再附著長度，增加了計(jì)算的穩(wěn)定性和改善了預(yù)測精度。結(jié)合壁面函數(shù)法或低雷諾數(shù)的1方程模型，使用改進(jìn)的非線性湍流模型研究了立方體表面的對(duì)流換熱。由于低雷諾數(shù)1方程模型本身的低雷諾性，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型或Realizable k-ε模型能夠很好的預(yù)測迎風(fēng)面的對(duì)流換熱系數(shù)。由于改進(jìn)的非線性渦粘性模型預(yù)測建筑外表面附近湍動(dòng)動(dòng)能較為準(zhǔn)確，該模型結(jié)合壁面函

6、數(shù)法或低雷諾數(shù)1方程模型都可以較好的預(yù)測立方體整個(gè)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)。
　　本研究利用新開發(fā)的建筑外表面對(duì)流換熱 CFD模擬方法對(duì)單體建筑和建筑群外表面的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了模擬。通過研究發(fā)現(xiàn)，單體建筑外表面對(duì)流換熱系數(shù)分布受風(fēng)向的影響很大。對(duì)一列建筑而言，高寬比是影響建筑列外表面對(duì)流換熱系數(shù)分布的一個(gè)重要因素。當(dāng)高寬比為2時(shí)，一列建筑的建筑頂面對(duì)流換熱系數(shù)最大，迎風(fēng)面次之；而當(dāng)高寬比為1/3時(shí)，一列建筑的建筑迎風(fēng)面對(duì)流換熱系數(shù)最

7、大，頂面次之；當(dāng)高寬比為1時(shí)，一列建筑的建筑迎風(fēng)面和頂面對(duì)流換熱系數(shù)大小相當(dāng)；高寬比越大，建筑列的前幾個(gè)建筑的外表面對(duì)流換熱系數(shù)沿流向變化越快；高寬比越小，建筑列表面對(duì)流換熱系數(shù)分布受高寬比的影響越小。建筑群中間的高層建筑會(huì)增強(qiáng)該建筑周圍建筑表面的對(duì)流換熱；而建筑群中較低的建筑只會(huì)增強(qiáng)該建筑下游建筑表面的對(duì)流換熱。
　　最后，本研究利用新開發(fā)的建筑外表面對(duì)流換熱 CFD模擬方法對(duì)受熱浮力影響的建筑繞流問題做了研究。通過和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)

8、據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然改進(jìn)的非線性渦粘性模型在對(duì)受熱浮力影響的建筑繞流預(yù)測中和標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型一樣低估了熱浮力的影響，但是改善了標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型對(duì)建筑高度處豎直方向的時(shí)均速度和湍動(dòng)速度均方根的預(yù)測。通過研究熱浮力對(duì)建筑群繞流的影響可以發(fā)現(xiàn)，高寬比越大的建筑群越容易受到熱浮力的影響。在熱浮力作用不大時(shí)，等高建筑群和上部大氣的空氣交換主要由湍動(dòng)擴(kuò)散作用引起，如：當(dāng)H/W=2，Ri=0.1時(shí)，湍動(dòng)擴(kuò)散作用是直接對(duì)流作用的5-10倍。在熱浮力影響顯著