（动力工程及工程热物理专业论文）自然通风房间热过程耦合模拟.pdf

中文摘要 i 摘 要 在夏热冬冷地区，冬季一般没有集中供暖，室内空气湿度较大，气温较低，热环境 极差；而夏季又十分炎热，多数建筑都会使用空调，能耗较大。而自然通风是当今建筑 普遍采用的一项改善建筑热环境、减少空调能耗的技术，采用自然通风可以取代或者部 分取代空调。 自然通风状态下，建筑物内的换热受室外气温和太阳辐射的影响，是一个三维非稳 态复杂边界的耦合传热问题， 传统的谐波反应法无法对自然通风房屋的传热过程进行精 确计算。所以本文用数值模拟的方法对不同风速、保温层位置、保温层厚度、房屋层高 下的自然通风房间进行了非稳态模拟计算。 并将计算结果与谐波反应法计算所得结果相 对比，为民用建筑热工规范的修编提供新的思路。 研究结果概况如下： （1）数值模拟结果与谐波反应法计算结果在计算墙壁延迟时间和热流密度时存在 较大差异，数值模拟计算得出的延迟时间要长于谐波反应法计算结果。 （2）风速越大，室内外换热越剧烈，室内温度越接近室外温度；随着风速的增大， 室内壁温的均值和峰值都会增大，而谷值则会减小，且延迟时间缩短。虽然通风量增大 会使室内气温和壁温均值峰值增大， 但是室内的气温和壁温可以更早的到达峰值并开始 下降，因此在晚上的时候，通风量大的房间会更加凉爽。 （3）对室外风速较低的夏热冬冷地区自然通风房间，无需采用太厚的保温层，从 施工方便的角度来讲，0.02m 即可。 （4）采用内保温会使墙体延迟时间大大缩短，而采用外保温可使墙体内表面温度 振荡波幅大大减小。因此，内保温适用于间歇空调房间，而外保温适用于自然通风房间 和全天候空调房间。而且从降低室内壁温的角度，外保温隔热性能要优于内保温。 （5）在风速很小的情况下，提高房间的层高反而会使室内气温有所升高。 关键词：关键词：自然通风，数值模拟，有限容积法，谐波反应法 英文摘要 iii abstract in the area with a hot weather in summer and a cold one in winter, there is usually no central heating in winter when the air humidity is high and temperature is low indoors, which implies the bad thermal environment; however, summer of these areas is hot. so the air condition has been used in most of the buildings, which causes high energy consumption. while in nowadays building industry the natural ventilation is a widely used technology that can improve the thermal environment of the building and reduce the energy consumption of air conditions. the natural ventilation can replace or partly replace the air condition. in the natural ventilation condition, heat transfer inside of the building is affected by the outdoor temperature and solar radiation, which is an unsteady three-dimensional coupled heat transfer with complex boundary. the traditional harmonic response method cannot calculate exactly the heat transfer of a natural ventilation building. with the method of numerical simulation, this thesis calculates the natural ventilation rooms of different wind speed, insulation position, insulation thickness and storey height in an unsteady simulation way, and get a result that is compared with the one calculated by the harmonic response method, which provides the revision of civil building pyrology standard with new ideas. the research results are included as follows: (1)when calculating the delay time of wall and the heat flux, the differences between the result calculated by the numerical simulation and that calculated by the harmonic response method are obvious. the delay time calculated by the numerical simulation is longer than the result of the harmonic response. (2)the faster the wind speed and the stronger the heat transfer indoors and outdoors are, the closer the temperature indoors and outdoors is. with the development of the wind speed, both the mean value and the peak value of the wall temperature indoors will increase, while the valley will decrease so does the delay time. although more ventilation quantity will cause the mean value and peak value of the temperature and wall temperature indoors to increase, they can reach the peak value and begin to decrease earlier. thus rooms with more ventilation quantity will be cooler in the evening. (3)it is not necessary to adopt very thick insulation layer for a natural ventilation room with a slow wind speed outdoors in the area where summer is hot and winter is cold. 重庆大学硕士学位论文 iv according to the convenience of the construction, 0.02m can be adopted. (4)the inner insulation will reduce the delay time of the wall a lot, and the external insulation will make the amplitude of the surface temperature inside the wall decrease. so the inner insulation is suitable to the part-time air-conditioned room, while the external insulation is fit for the natural ventilation and all-day air-conditioned room. when considering the decrease of the wall temperature indoors, the external insulation is superior to the inner insulation. (5)increasing the storey height of the room will cause the temperature indoors to rise when the wind is at a very slow speed. keywords: ventilation, numerical simulation, finite volume method, harmonic response method 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究的背景及意义 能源是人类生存和发展的最重要的物质基础。人类现在应用的能源主要是煤炭、石 油、天然气等化石能源。它们对人类的生存和发展做出了巨大贡献，人们依靠它们取得 了辉煌的经济发展和科技文化进步。但发展到今天，石化能源储量大大减少，其使用过 程中产生的环境污染和生态破坏问题也渐渐突显出来。 能源问题已经成为制约人类发展 的瓶颈。因此，大力提高能源利用效率，千方百计节约能源，寻找资源无限、可再生、 与生存环境和谐的新能源已经越来越受到人们的重视。 建筑能耗是能源消费构成的重要部分，占相当大的比重，在发达国家已占到能源消 费总量的 35%40%，在我国也已经占到能源消费总量的 25%以上。建筑能耗指建筑物 使用过程中所消耗的能源，包括照明、采暖、空调、降温、电梯、热水供应、炊事、家 用电器以及办公设备所消耗的能源。 而在有空调的建筑中，空调能耗占建筑能耗达到 50%60%，居第一位。我国是世 界第二大能源消耗国家， 在我国由于近年来城市化进程较快， 建筑节能工作又开展较晚， 造成建筑能耗相对较大。 据不完全统计， 2000 年中国建筑能耗占当年总能耗的 27.8%1。 而到 2008 年，这个数字已经变成了 30%。随着经济的发展，人们对居住和工作环境舒 适度的要求也越来越高，南方城市家庭普遍开始安装空调，而夏热冬冷地区居民冬季也 开始采暖。这一方面反映出人们对室内热环境舒适性要求的提高，同时也从一个侧面反 映出我国建筑的围护结构保温隔热性能差， 导致空调和采暖的能耗升高， 能源浪费严重。 随着城市化的进行，建筑将超越工业、交通、农业成为能耗的首位，建筑节能将成为社 会节约能源的首要方面。 在夏热冬冷地区，冬季一般没有集中供暖，室内空气湿度较大，气温较低，热环境 极差；而夏季又十分炎热，多数建筑都会使用空调，能耗较大。而自然通风是当今建筑 普遍采用的一项改善建筑热环境，减少空调能耗的技术，采用自然通风是为了取代或者 部分取代空调。夏季太阳辐射较强，室外气温较高，建筑处于室外气温和太阳辐射综合 作用下，室内热环境必然受到影响，这就对建筑物围护结构保温隔热性能提出了较高的 要求。如果围护结构保温隔热性能不够好，必然会导致墙体内壁温较高。这时，虽然室 内气温不高， 但室内热环境仍会很差， 人们仍然会感到很热。 对人体热反应的研究认为： 围护结构内表面温度不应该超过人体皮肤的平均温度（3335） ，高于此值时，人体 将感到明显的热辐射，尤其在 36以上时，人体的热感极其明显2。 重庆大学硕士学位论文 2 自然通风状态下，建筑物内的换热是一个耦合换热过程。建筑物内壁温与室内气温 都是随室外气温和太阳辐射的周期性变化而变化。而建筑物内壁既与外壁发生导热换 热，又与室内气流发生对流换热；同时，从窗口进入的室外气流对室内气温也会有一定 影响；而且门、窗与墙壁的交接处还存在着热桥效应，是一个三维非稳态复杂边界的耦 合换热问题。 现在建筑热工领域对墙壁非稳态传热的计算方法主要有谐波反应法和反应系数法， 其中谐波反应法是现行建筑热工设计规范所用的方法。 现行建筑热工设计规范实施至今 已经有 15 年，这 15 年中出现了很多新的建筑技术和建筑材料，人们对建筑物的要求也 与以前不可同日而语，能源形势的紧张也对建筑物提出了更高的节能要求。所以现行标 准已经不能完全满足今天工程实践的需求，需要进行新一轮的修编。这样就面临到对墙 壁非稳态传热的计算方法的选择问题： 谐波反应法仅可以比较好的计算墙体对简谐振动 的周期性外扰的衰减和延迟，但考虑太阳辐射时，显然不能把太阳辐射当成简谐振动的 外扰， 所以由谐波反应法计算得出的衰减倍数和延迟时间等参数是否能准确反应出围护 结构的热特性就值得商榷； 而反应系数法在计算多层墙体 （三层或三层以上） 传热量时， 传递矩阵中的各元素表达式形式较为复杂，一般是计算比较困难的超越方程或超越函 数，在计算传热反应系数过程中，求解总传递矩阵的元素的根时容易出现丢根和机时间 过长， 且用到的数学概念较多,一般人不易掌握。 而且建筑热工设计规范中对围护结构的 传热进行了一维简化，而对在墙角、两墙相接处、门、窗等部位的二、三维传热仅是以 面积加权的方法进行计算，准确度不高，无法解释不同质材料界面间的“侧向传热”问 题。所以，需要更准确的方法来对旧的围护结构传热计算方法进行验证。 有限容积法物理意义明确，在传热研究上有得天独厚的优势，而且该方法在换热器 耦合传热问题的研究上已经出现了很多成果， 而自然通风建筑物围护结构耦合传热与换 热器耦合传热又有许多相似之处。因此，本课题主要以数值分析的方法，对夏热冬冷地 区自然通风建筑室内热环境和建筑围护结构传热特性进行模拟研究， 同时给建筑热工标 准的修订提供新的思路。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 耦合传热 在对导热或对流问题进行分析解或数值计算时， 对固体边界上的换热条件一般都做 出规定：或给定边界上的温度分布，或规定边界上的热流分布，或给出壁面温度与热流 密度的依变关系， 这就是所谓的三类边界条件。 它们分别对应于数学上的 dirichlet 问题、 neumann 问题以及 robin 问题。无论导热或者对流，在固体边界上都可以具有这三种边 1 绪 论 3 界条件。但还有一部分导热或者对流换热过程的边界条件，不能用上述的三类边界条件 来概括。这部分换热问题的热边界条件无法预先规定，而受到流体与壁面之间相互作用 的制约。这种边界条件由热量交换过程动态地加以决定而不能预先规定的问题，称为耦 合传热问题3。 1.2.2 研究进展 国内研究现状 对建筑物围护结构传热的研究方法主要有谐波反应法、反应系数法以及数值模拟 法。 谐波反应法4是将室外空气综合温度(室外空气温度和太阳辐射 “当量温度” 的组合) 看成是以 24 小时为周期的不规则周期函数，先将室外空气综合温度的离散数据转化为 傅立叶级数（一般取 3 阶谐波已足以满足实际工程的计算精度） ，然后分为两部分进行 墙体得热计算：1）室外空气平均综合温度与室内空气温度之差所造成的传热量，2）由 于室外综合空气温度波动的幅值引起墙体内表面的波动所产生的附加传热量， 衰减倍数 和延迟时间是谐波反应法计算墙体非稳态导热问题中的重要概念，其物理意义比较明 确，通常作为墙体热工性能判断的重要指标。谐波反应法主要是基于 50 年代前苏联的 计算方法， 至今仍是国内建筑热工和暖通空调领域进行墙体非稳态导热问题计算的主要 方法。 早在 1960 年， 陈启高5教授就用谐波反应法分析了我国南方有良好通风的房屋的围 护结构的传热，得出的结果表明外围护结构的内外两面在周期热作用下，其衰减倍数和 延迟时间，除了受围护结构本身的性质影响之外，还受到热作用的性质的影响。龚明启 2用谐波反应法分析了自然通风类建筑各种围护结构的内表面温度。谐波反应法起源较 早，是现行建筑热工设计规范对非稳态墙壁传热的计算方法，它以什克洛维尔提出的近 似计算公式来计算墙壁传热，在当周期外扰严重偏离简谐振动时，其计算偏差较大。 反应系数法是国外空调动态负荷的主要计算方法， 其实质就是对围护结构传热问题 的模型进行拉普拉斯变换和反变换。它将系统的热特性与外扰分开，认为反应系数是系 统本身的热特性，而与外扰无关。将墙体视为一个热力系统，把室外空气综合温度离散 为等时间间隔的、按时间序列分布的等腰三角波扰量，求解墙体对等腰三角波扰量的反 应。它把单位等腰三角波扰量作用时，从计算时刻起，通过单位面积墙体逐时传入室内 的热量称为传热反应系数。传热反应系数体现了围护结构的热工性能。反应系数法本质 上是非稳态导热问题的解析法，当物体形状复杂、变物性、非均质或具有非线形边界条 件时解析法求解比较困难。在研究室内温度不定、需要以整个房间来当作一个热力系统 的自然通风房间时计算过程相当复杂，模拟计算需要消耗大量的, 甚至是无法接受的计 重庆大学硕士学位论文 4 算资源和时间。 国内很多科研工作者运用反应系数法对建筑围护结构传热进行了研究。王菲等6建 立了一个考虑围护结构蓄热和传热的动态建筑围护结构热平衡模型。 并用该模型计算了 济南夏季某日某单栋建筑各围护结构外表面的温度。刘金祥7对墙体不稳定传热的求解 过程进行了数值分析，指出了影响计算结果的精度和求解过程速度的主要因素。戴源德 8利用 z 传递函数法建立了夏季空调建筑围护结构冷负荷计算的数学模型。陈友明9提 出了反应系数、z 传递函数序列、和周期反应系数等围护结构非稳定传热动态特性基础 数据的验证方法。 张泠10建立了几种常用输入信号和输出信号的建筑围护结构表面换热 过程系统辩识数学模型， 得到了相应的 z 传递函数模型描述。 张国强11等运用了反应系 数法分析了建筑围护结构动态热特性的模型及其物理意义，研究了识别模型参数的方 法。高岩12等用状态模型的减秩技术得到了三维传热的低阶模型，并比较了不同围护结 构的低阶模型和完全模型的频域特性和时域输出结果, 表明低阶模型与完全模型有很好 的一致性, 输出相对误差小于 1%。用反应系数法进行的研究对象基本都是以空调房间 为主，以室内温度恒定为前提，以计算空调负荷为目的，研究自然通风房间的较少，而 且大都对传热进行了一维简化。 有限差分法、有限元法、有限容积法都是流行的数值模拟计算机算法，所谓有限差 分法是把物体分隔为有限数目的网格单元，将微分方程变换为差分方程，通过数值计算 直接求取各网格单元节点的温度。其基本原理就是用有限差分代替微分，从而将微分方 程转化为差分方程。这种替代的实质就是把相邻节点间的温度分布看作是线形的。有限 差分法比较直观，理论成熟，精度可选。但是不规则区域处理繁琐，虽然网格生成可以 使有限差分法应用于不规则区域，但是对区域的连续性等要求较严。有限元方法的基础 是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元， 在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写 成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式， 借助于变分原理 或加权余量法，将微分方程离散求解。有限元法适合处理复杂区域，精度可选。缺憾在 于内存和计算量巨大。有限容积法是从守恒型控制方程出发，在各个控制容积上进行积 分， 是积分的近似。 有限容积法的物理概念清晰， 离散方程的系数具有一定的物理意义， 并可保证离散方程具有守恒特性，且计算效率高，所以目前大多数 cfd 软件的内核都 基于有限容积法。在有限容积法中建立离散方程的主要方法有：控制容积积分法和平衡 法。控制容积积分法是主要方法，平衡法可看成是它的一种变形和补充。 近年来，计算机技术的迅速发展使得大规模的数值模拟成为可能，国内不少学者开 始对建筑围护结构传热进行模拟研究。 其中， 有些学者针对墙体的传热特性进行了研究。 1 绪 论 5 李玉梅13用 fluent 数值模拟软件模拟了实测墙体的二维温度场，直观的表示出计算 面域的温度分布情况和热流流向。并通过对墙体材料的传热性能研究得出以下结论：要 使复合墙体达到最佳节能效果，应将蓄热系数大的重质材料放在热阻大的保温材料内 侧，即应采用外墙外保温的围护结构。王维钊14分别用数值模拟法、反应系数法和谐波 反应法对 9 种墙体的传热过程进行了计算，并与实测结果相对比，体现出数值模拟方法 简明、准确、直观的优点。郁文红15分别采用有谐波反应法、反应系数法、有限差分法 对复合墙体非稳态热工性能进行了计算，同时进行了节能效果分析。结果表明有限差分 法可以求解墙体表面和内部的温度分布，计算精度更高，但相对复杂，要推广到工程应 用还需要进一步的工作。温华16对外几种典型结构外墙角热桥进行了数值模拟计算，与 实测结构较好吻合。 杨艺17主要讨论了不同自然对流强度对墙内侧对流换热系数的影响 并分析了不同墙体结构的室内空气温度变化情况。结果表明：墙内侧hi值的变化会随瑞 利数(ra)增加而增加（如图 1），空气流动方向的改变是引起hi值产生跳跃变化的主要 原因。 图 1.1 不同 ra 下的hi fig.1.1 variation of hi at different ra 对墙体的研究属于对建筑物局部传热的研究， 对确定围护结构材料的热特性有很大 帮助，给以建筑物整体为对象的研究打下了一定基础。 对建筑物整体进行的研究也有很多，以对恒温房间的研究为主。虽然自然通风房间 情况比恒温房间复杂，但用数值模拟法对恒温房间的研究也可以给我们一些启发。董军 重庆大学硕士学位论文 6 启18等采用三维紊流模型，应用有限容积法计算了室内空调的气固耦合传热问题，并对 流速场，温度场进行了数值模拟计算。王琴19等基于 fluent 商业软件采用耦合传热 计算方法针对浅埋地下工程空调系统连续运行工况围护结构三维非稳态传热问题进行 了数值求解。 得到了围护结构全年动态传热量并可反求室内气体与围护结构的对流换热 系数。 孙朝阳20计算了洞室采用穿通式通风时壁面的非稳态耦合传热。 王海龙21以水电 站坝体廊道通风系统为研究对象，对气流和岩体间的耦合传热进行了模拟分析。张泠22 对恒温房间自然通风的耦合传热进行了模拟， 研究了围护结构导热系数和厚度对室内热 环境的影响。胡静23建立了采暖房间耦合换热数学物理模型，并对其进行了模拟计算。 杨沫24等利用控制容积法对计及区域内部表面辐射的导热与对流耦合问题进行了整体 计算。并用数值方法对一台制冷设备的空箱稳定工况进行了温度场与速度场的模拟，计 算所得温度分布与实验测定值相一致。 赵玲25根据我国室外环境特点，用 cfd 方法对置换通风空调系统进行了以下几个 方面的研究： 稳态耦合传热数值模拟。主要研究了改变热源强度、送风速度、房间高度、围护 结构厚度、围护结构材料时对置换通风系统温度场和速度场的影响（如图 2） 。研究结果 表明:当把围护结构的外表面作为边界时， 垂直温度梯度和热力分层高度的变化是热源上 升热羽流变化量和内表面上升热羽流变化量的综合作用。 动态耦合传热数值模拟。 主要研究了不同热惰性指标 d 时室内对外扰的响应和置 换通风负荷的变化。研究结果表明：随着热惰性指标 d 的增加，外扰被衰减的程度大， 延迟的时间长，垂直方向的温度梯度变化减小，热稳定性好，能更好地满足人们的舒适 要求;围护结构的热惰性指标 d 增大，空调机组需处理的房间下区负荷减少，节能效果 好； 当 d 增大到一定值时， 室内温度和置换通风负荷的变化不再和室外温度波一样是正 弦周期性变化，这是内扰和外扰综合作用的结果。下图为该研究的物理模型。 图 1.2 物理模型 fig.1.2 physical model 1 绪 论 7 图 1.3 围护结构厚度对垂直方向温度分布的影响 fig.1.3 the effect of the enclosure structures thickness to the temperature distribution in the vertical direction 对空调房间的研究主要有两种情况：一种是室内温度恒定，即内壁温不变；另一种 是送风温度恒定。研究主要目的是得出通风量和空调负荷，不能得出对建筑围护结构热 特性完全的描述。而在自然通风状态下，室内气流温度和围护结构壁面温度都是随外界 气温变化而变化的，情况更为复杂，更贴合实际，更适合进行针对围护结构的热特性的 研究。 国内对完全自然通风房间围护结构热特性的研究比较少。朱树园26采用 cfd 软件 求解了会议室，教室一类建筑模型在给定内表面热流密度、室内热源位置、入口和出口 位置的情况下的速度场和温度场，分析了自然通风热分布系数关于格拉晓夫数、室内传 热量、围护结构传热量、热源面积、房间高度、进出口面积等因素的影响规律。另外还 分析了针对这一类建筑模型所适用的紊流模型。研究结果表明针对这一类的研究对象， 采用标准 k-模型求解较为合适；热分布系数随 gr、 f f 、 h 2 、的增大而增大，随 f a 的增大先减小后增大，墙壁得热对热分布系数的影响不大。 龚波27对自然通风教室的温度场和速度场进行了模拟， 分别计算了不考虑太阳辐射 和考虑太阳辐射两种情况。但他将室外温度设为定值，只考虑了室内热源的影响。 国内对自然通风建筑的数值模拟研究多侧重于通风效果， 对边界条件设定也进行了 比较多的简化， 而想得到对建筑围护结构热特性较准确的描述还需要用更贴合实际的模 拟条件进行研究。 还有些学者的耦合传热数值模拟研究过程中遇到的问题和对解决方法的探索进行 重庆大学硕士学位论文 8 了阐述。王琴28等通过分析比较三维非稳态对流换热-导热耦合问题模拟求解的数值方 法， 在理论分析的基础上得出在采用整场求解方法时需要对数值计算方面提出的特殊处 理措施。即在采用同位网格上的piso算法求解非稳态耦合传热统一控制方程的离散方 程时，对以温度为求解变量形式的能量方程采用“虚拟密度”的方法进行分离求解，同 时对界面当量扩散系数采用调和平均方法进行改进， 以确保耦合界面上物理量的连续及 计算结果的物理真实性。这些措施不但使得计算结果更为真实可靠，同时提高了数值计 算的速度和精度，使得数值求解非稳态的真实耦合传热边界的方法有效可行。 姜培学29等采用大型通用计算程序phoenics(1.4 版本) 、并结合虚拟密度法,对 有内部热源的非稳态导热与自然对流换热及辐射换热的耦合问题进行了数值求解。 分析 和比较了在直角坐标和贴体坐标下得到的速度场及温度场的数值模拟结果。物理模型， 网格划分及计算结果分别如图4，图5，图6。 图 1.4 物理模型及坐标系统 fig.1.4 physical model and coordinate system 图 1.5 贴体坐标和直角坐标下的网格划分 fig.1.5 the mesh generation of the body-fitted coordinate and rectangular coordinate 1 绪 论 9 图 1.6 采用贴体坐标(a) 或直角坐标(b) 时的温度场 fig.1.6 the temperature field when using the body-fitted coordinate (a) or the rectangular coordinate (b) 孙纪宁30首先介绍了耦合传热计算区别于一般的导热和对流换热过程的特点,然后 介绍了常用的计算方法用于耦合传热计算遇到的困难及自适应直角坐标网格方法在耦 合传热计算中的优势。 这些文献所提到的问题在研究自然通风建筑耦合传热过程中都有可能遇到， 前人的 研究成果对本课题会有很大帮助。 国外研究现状 国外也有一些对自然通风建筑物室内热环境的研究。 jarmyr31研究了内墙温度对垂直方向温度梯度的影响，给出了在一个厂房中一天中 五个不同时刻房间垂直方向温度梯度变化线。 研究表明： 从早上到中午， 温度梯度增加， 而到晚上时又有微小的减小。 这就说明从外墙和窗户传进来的热量对室内空气温度梯度 是有一定的影响的。 文献32中采用cfd软件对长*宽*高为2.76*5*2.75m的单面开口自然通风房间的温 度场进行模拟， 其模拟结果同实际测试数据进行比较表明自然通风房间温度场分布基本 均匀，并且上部温度较高。 yam 等人33通过一个含有室内蓄热介质的理想通风模型，用数学分析的方法考虑 了影响建筑热环境的多种因素，证明在室内蓄热介质与通风效果的耦合作用下，室内空 气温度变化与通风量之间是非线性的关系，认为当自然通风量是室内外温度差的函数 时，室内温度相对室外的延迟会受蓄热介质等诸多因素的影响。 文献3435采用有限容积法， 考虑了太阳辐射以及建筑物自身辐射影响， 分别得出了 屋面、墙体温度随时间的变化曲线。 重庆大学硕士学位论文 10 沿墙向上或向下的气流是一个特殊的射流，heiselberg(1993)36给出了计算边界层中 最大流速的公式，并指出对一个合适的墙体和室内空气之间的温差，沿着墙的空气流速 可以像室内其他的热源上方的热气流的流速一样大。此外，他还对其进行了测量。 综上所述，人们对建筑围护结构非稳态传热计算方法进行了很多探索。谐波反应法 和反应系数法由于其本身缺陷，无法准确的对自然通风房间围护结构传热进行计算。而 数值模拟法在空调房间里已有较多应用，研究结果都体现了该方法的优越性。因此，本 课题考虑用数值模拟的方法对自然通风房间进行模拟研究，希望能在前人研究的基础 上，用更贴合实际的边界条件进行模拟计算，得到更准确的结果，进而分析建筑围护结 构非稳态传热的规律和影响因素。 1.3.研究的主要内容 在考虑太阳辐射，室外对流换热情况下，对室内自然通风情况下建筑围护结构的热 特性进行实验和模拟。主要做以下几个方面的工作： 建立建筑围护结构耦合传热的数学物理模型，确定适宜的数值模拟方法和技术 （包括建立控制方程和物理模型、划分网格、 、设定边界条件、选定湍流模型、确定计 算离散方程的算法等） ； 对不同工况下的模型进行模拟计算，主要包括不同的围护结构厚度，不同的围护 结构材料，不同的风速和不同的房间层高； 对模拟结果进行分析， 研究不同条件下建筑围护结构受到周期性变化的外界辐射 和气温扰动时耦合传热的规律，探索围护结构热物性和厚度对传热过程的影响。 2 建筑围护结构传热计算理论 11 2 建筑围护结构传热计算理论 2.1 谐波反应法 谐波反应法源自苏联什克洛维尔的理论，它是将室外空气综合温度(室外空气温度 和太阳辐射“当量温度”的组合)看成是以24小时为周期的不规则周期函数，先将室外 空气综合温度的离散数据转化为傅立叶级数进行求解。单向温度波时，其计算公式为： isshrmischr mm au mmm au m m m += = （2.1） 式中 m 第m层平壁中温度波复数衰减量； m 第m层的终止表面（逆波面）的温度波复振幅； au m 第m层的起始表面（送波面）的温度波复振幅； m r 第m层的热阻； m s 第m层的材料蓄热系数； au m m 第m层热作用参量，而 （2.2） hau m q 第m层起始表面上的热流复振幅。平壁一边温度保持不变时， （2.3） 温度不波动一方的放热系数。 通过代数方法和简化， 公式 （1） 可近拟出两个实数公式， 即衰减倍数 s 和延迟角， 而 （2.4） （2.5） 以上就是什克洛维尔周期传热理论的概述，他指出，当有反向温度波作用时，壁内 一点的温度能够分别按单向波考虑后叠加而得，而事实上，这一论断与现实观察结果并 不相符。这说明机械地用叠加法处理两面有周期热作用的平壁传热问题尚欠妥当，由于 反相波的出现，不仅影响前进波的衰减倍数而且极大影响它的表征传播速度的延迟角。 陈启高5先生曾根据我国南方房屋实际使用条件对什克洛维尔的传热理论进行过修 is q m m hau m hau mau m = = hauhau m q 1 h hn nn nnb rs ss a ay ys ys ys ys ys as e + + + + + + + = 1 22 12 11 12 9 . 0 2 6 .40 2 bhn n s y arctgrs y y arctg + + + = ）幅角（ 重庆大学硕士学位论文 12 正，其核心就是以考虑室内热作用的条件放热系数来代替放热系数。条件放热系数计算 公式如下 )1( 1 0 hau byc aa = （2.6） 式中 yc a 条件放热系数； )1( 1 0 hau 热作用条件系数； 0 室内空气温度复振幅，对于通风良好的条件下，等于室外空气的温度复振 幅； hau 1 外围护结构内表面的温度复振幅。 这个修正在一定程度上发展了什克洛维尔的理论，提出了更为精确的计算公式。但 它只对原公式进行了一阶修正，与实际仍有较大偏差，而多阶修正又太过复杂。因此， 还需要寻找更准确的方法来对建筑围护结构热特性和室内热环境进行研究。 2.2 有限容积法 有限容积法又称为控制体积法，其基本思路是：将计算区域划分为一系列的网格， 并使每个网格点的周围有一个互不重复的控制体积，每一个容积都有一个节点作为代 表；将待求微分方程对每一个控制体积积分，从而得到一组离散方程。 有限容积法的基本思路易于理解， 并能得出直接的物理解释。 离散方程的物理意义， 就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理， 如同微分方程表示因变量在无限小的 控制体积中的守恒原理一样。有限容积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任 意一组控制体积都得到满足，这是有限容积法吸引人的优点。 就离散方法而言，有限容积法可视为有限元法和有限差分法的中间物，有限元法必 须假定值在网格节点之间的变化规律(即插值函数)，并将其作为近似解；有限差分法 只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格节点之间如何变化。 有限容积法只寻求的 节点值，这与有限差分法类似；但是有限容积法在寻求控制体积的积分时，必须假定 在网格点之间的分布，这又与有限元法类似，在有限体积法中，插值函数只用于计算控 制体积的积分，得出离散方程之后，插值函数便不具有任何意义了；并且可以对微分方 程中的不同项采取不同的插值函数。 计算区域的离散 所谓计算区域离散化实质上就是用一组有限个离散的节点来代替原来的连续空间。 一般的实施过程是:把所计算的区域划分成许多个互不重叠的子区域， 确定每个子区域中 的节点位置及该节点所代表的控制容积。这是对流动与传热问题进行数值计算的第一 2 建筑围护结构传热计算理论 13 步，这也就涉及到网格的生成问题。 网格生成技术是数值模拟中的重要组成部分，需要花费大量的精力，而且数值模拟 的计算精度很大程度上依赖于所生成的网格的质量。 根据网格拓扑结构网格类型可分为两大类:结构化网格和非结构化网格。 结构化网格是指网格中的节点排列有序、邻点间的关系明确的网格，连接方式与节 点的位置无关。 常用的结构化网格形式为二维的四边形网格单元和三维的六面体网格单 元。 非结构化网格不同于结构化网格，它的节点位置不能用一个固定的规则进行命名， 节点的连接方式与位置有关。 常用的非结构化网格形式为二维的三角形网格单元和三维 的四面体网格单元，其次还有用于过渡的五面体网格单元。 结构化网格的计算机生成技术比较成熟，但对于复杂的几何区域，生成单块结构化 网格比较困难，可能需要分成几个相邻的区域分别生成结构化网格，此时称为块结构化 网格，这往往需要足够的耐心和精力。 非结构化网格对于复杂的几何外形适应性强，并且网格尺度易于控制，便于调整网 格疏密分布进行自适应控制，但生成非结构化网格需要较多的内存和计算时间，并且对 求解的精度也有一定的影响37。针对两类网格的缺点，产生了两种新型的网格：一种是 结构化/非结构化混合网格；另一种是自适应网格。 选择网格时需要在求解算法较好支持的情况下考虑计算花费和数值精度， 这需要根 据具体的情况进行调整。 控制方程的离散 把求解区域离散后，就可以将控制微分方程在各个节点上离散，针对每个节点建立 相应的离散方程。 控制微分方程的离散方法有泰勒级数法、 多项式拟合法、 控制容积法、 平衡法以及变分法等。泰勒级数展开法与多项式拟合法偏重于从数学角度进行推导，把 控制方程式中的各阶导数用相应的差分式来代替， 而控制容积积分法则侧重于从物理观 点来分析，每个离散方程都是有限大小容积上某种物理量守恒的表达式。前一类方法的 优点是易于对离散方程进行其数学特性的分析，缺点是导出方程的物理概念不清晰，而 且不能保证所得差分方程具有守恒特性。而控制容积积分法则正好相反，推导过程物理 概念清晰，离散方程的系数具有一定的物理意义，并可以保证离散方程具有守恒特性。 所以控制容积积分法应用很普遍。 2.3 湍流模型 在cfd技术中，湍流模拟方法和湍流模型各有其使用场合，湍流模型的选择不仅 重庆大学硕士学位论文 14 直接决定求解结果，而且对求解速度也有巨大的影响。模型选择的正确与否，直接关系 到数值模拟的成败。 因此， 选择合理的湍流模型是十分必要的。 标准k-模型由launder 和spalding提出，模型本身具有的稳定性、经济性和比较高的计算精度使之成为湍流模 型中应用范围最广、也最为人熟知的一个模型。然而虽然标准k-模型得到了最广泛的 使用，但因为标准k-模型假定湍流为各向同性的均匀湍流，所以在旋流 (swirl flow) 等非均匀湍流问题的计算中存在较大误差，因此后来又发展出很多k-模型的改进模 型，其中包括rng(重整化群) k-模型和realizable(现实) k-模型等衍生模型。这些 模型被广泛地用于模拟各种工程实际问题。 realizable k-模型作为对标准k-模型和rng k-模型的补充而提出来的，模型 满足某种数学约束，和湍流的物理模型是一致的。与标准k-模型比较，realizable k- 模型的主要区别是38： realizable k-模型中采用了新的湍流粘度公式，引入了与旋转和曲率有关的内 容； 方程发生了很大的变化， 方程是从涡量扰动量均方根的精确输运方程推导出 来的， 方程中的产生项不再包含k方程的产生项， 这样就更好的表示了光谱的能量转换; realizable k-模型满足对雷诺应力的约束条件，因此可以在雷诺应力上保持与 真实湍流的一致。虽然还无法证明其性能已经超过rng k-模型，但是在分离流计算 和带二次流的复杂流动计算中的研究标明，realizable k-模型是所有k-模型中表现 最出色的湍流模型。 文献39和文献40对fluent的几种模型在工程中的应用有具体的比较。 鉴于上述的优 点和结合文献的比较结果，本文选用的是realizable k-模型。 2.4 湍流模型对近壁处的处理 k-模型都是针对充分发展的湍流才有效的。 而在近壁面区域， 流动情况变化很大， 特别在粘流底层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用。因此，不能用k-模型来 求解这个区域内的流动。在受壁面限制的流动中，因为壁面附近流场变量的梯度较大， 所以壁面对湍流计算的影响很大。湍流模型中假定湍流是各向同性的，因此在壁面附近 需要进行特殊处理。 处理的一种办法是用半经验公式将自由流中的湍流与壁面附近的流 动连接起来，这种方法被称为壁面函数法。 另一种方法是通过在壁面附近加密网格，同时调整湍流模型以包含壁面影响的方 法，被称为近壁面模型法。 2 建筑围护结构传热计算理论 15 对于大多数高雷诺数的流动，壁面函数法能充分节省计算资源，而且在划分网格时 不需要在壁面去加密，只需要把第一个节点布置在对数律成立的区域内，即配置到湍流 充分发展的区域。 壁面函数法分为标准壁面函数， 非平衡壁面函数和增强壁面函数三种。 其中，标准壁面函数应用比较多，计算量较小，有较好精度，可以适用于大多数流动问 题，也是fluent中缺省设置的方法。因此，在靠近壁面处采用标准壁面函数法来处 理。由于本课题是具有浮力驱动的自然通风，所以fluent的realizable k-模型其他选 择项上还必须加上完全浮力影响 (full buoyancy effects)选项。 2.5 代数方程的求解 就控制方程离散后代数方程的求解方式， 可分为联立求解各变量代数方程组的方法 和分离式求解各变量代数方程组的方法。前一类方法对计算机的资源要求较高，其发展 程度也不很成熟，所以运用不多。从各种方法被使用的广泛性而言，第二类方法中的压 力修正方法是目前求解不可压缩流场的主导方法。 不可压缩流场数值求解的关键问题是压