非稳态风压驱动下自然通风建筑蓄热特性研究

自然通风是被动式建筑技术中的重要方法，而建筑蓄热与自然通风建筑室内热环境紧密相关，自然通风建筑室内温度由于建筑蓄热作用相对室外温度波出现延迟和衰减特征。.实际自然风具有紊态和非稳定性质。本项目拟定在分析自然来流平均风特性与波动风特性基础上，主要针对双侧/单侧开口自然通风模型，研究流动机理，分析主要特征参数，提出在CFD模型中构建非稳态风压边界条件的方法；选取合适的湍流模型及边界条件，提出同时考虑建筑传热、蓄热作用的非稳态自然通风数值模拟模型及计算方法，并经过实验验证；通过该模型，对非稳态风压驱动下双侧/单侧开口自然通风建筑进行CFD数值模拟，探讨变风速、风向及湍流脉动等参数与建筑蓄热作用之间的关系，分析非稳态风压驱动下的自然通风建筑蓄热特性及不同建筑蓄热体对室内温度的影响规律；最后结合数值模拟结果与宏观分析方法，提出适合于指导工程实践的非稳态风压驱动自然通风建筑蓄热设计与评估模型。

本项目研究思路为：稳态模型→正弦波风速模型→脉动风模型→平均风模型→非稳态风量模型→非稳态风下室内温度分析。.课题组先从稳态模型入手，对自然通风建筑计算模型进行了理论分析和实验验证。.其次，由于阶跃变化与正弦变化是研究动态特性时通常输入的标准信号，因此课题组假定非稳态风为正弦波动风形式，基于通风与蓄热的基本理论，结合数值分析及数值模拟方法，在正弦波动风速来流条件下对室内温度场进行模拟和分析，得到了室内温度衰减系数和延迟时间的变化规律，比较了恒定风与正弦波来流对室内温度计算结果的差异。.而通过分析自然风特性可知，自然风由平均风和波动风组成，波动风具有随时间和空间强烈变化的非线性随机波动特性，它并不能由单一谐波函数来描述。因此，课题组根据谐波叠加法对脉动风速时程进行了模拟，结合风工程学中的风致内压脉动研究方法，建立了主要脉动通风量模型；就平均风速的概率分布特性，提出了平均风速呈威布尔分布条件下的平均通风量模型。通过脉动通风量模型分析，可发现，脉动通风量与开口面积、房间体积、平均风速、湍流强度成一定函数关系。对随机平均风速下的平均通风量模型分析可知，若平均风速和最大风速一定，服从威布尔分布的风速时程序列是存在多种情况的，但是各平均风速所占概率相同，总平均通风量是一定的。对于单侧开口，总通风量为脉动通风量与平均通风量之和；小开口通风量主要由脉动通风量组成，大开口通风量由平均通风量和脉动通风量组成。通风量模型建立后，利用大涡数值模拟计算结果及其他计算模型结果进行了对比，分析可知本模型更为准确。.最后，对自然风进行了实测，基于实测数据分析了自然风的平均风特性和脉动风特性；采用谐波叠加法得到随机脉动风速序列，采用双参数的威布尔分布模型得到随机平均风速序列；针对单侧大开口/双侧大开口自然通风建筑，以脉动风速序列和随机平均风速序列分别作为远处来流风速，得到非稳态自然通风建筑室内温度求解模型，根据该模型，分析了风速以及内外蓄热体特性、内热源及开口面积等因素对室内温度衰减系数和延迟时间的影响。.研究首次提出了风向垂直于风口的非稳态来流下单侧开口自然通风建筑通风量计算方法，探讨了变风速、开口面积、房间体积及湍流脉动等参数对通风量的影响，并基于该方法，提出了非稳态自然通风室内温度求解模型，该模型可用于评估实践工程中的自然通风建筑内部热环境，指导自然通风建筑蓄热设计。