壁面均匀受热的竖向矩形通道的自然通风研究

Solar assisted building ventilation is a low carbon and energy efficient technology. Solar chimney, for example, is a typical application of such technology. The key issue involved is the airflow modeling of a channel with walls uniformly heated, a topic that has not been fully understood. Current theory or modeling of the stack induced ventilation is not fit for design work mainly for two reasons: 1) Current one-dimensional models over-simplify the thermal boundary in the channel and thus over-state the stack effect; 2) Wind effect on the stack effect in the solar chimney is not fully understood. This project proposes a two-dimensional model---plume model for the airflow in the chimney channel based on the thermal boundary layer theory. The proposed model accounts more accurately the stack effect. Through the project, experiments will be conducted to study the development of the thermal boundary layers. Validated CFD models will be used as well to study factors that affect the thermal boundary layers. Wind tunnel tests will be conducted to examine the wind effect. Finally, a design guideline for solar chimney will be developed based on the plume model and will be tested using measured data in a field solar chimney. The project will reveal the physics behind the natural ventilation in solar chimney and the results will help the design of the double skin facade and the solar chimney.

利用太阳能的建筑自然通风是一种低碳、环保的节能技术。以太阳能烟囱效应为代表的这类问题，可以归化为壁面均匀受热的通道通风问题。现今有关以通风为目的的矩形通道内的传热问题研究还不充分，相关理论还无法用于指导设计，主要原因有两点：一是当前的一维模型对通道内自然对流边界层的处理过于简单，实际热压效应被高估；二是有关风速对热压的影响尚不明确。本项目研究壁面均匀受热的通道内通风的二维模型－－烟羽模型，模型基于热边界层理论，揭示边界层厚度和热压的关系。项目采用实验验证、CFD模拟技术和风洞试验的方法，发展和完善烟羽模型，并研究风压的影响。最后，开发基于烟羽模型的太阳能烟囱的设计计算方法，并用场地实测数据进行评估和完善，形成一个完整的从理论到实践指导的研究过程。研究将揭示壁面均匀受热通道的自然通风规律，成果能指导双层玻璃幕墙和太阳能烟囱的通风设计实践。

为了获得可靠的太阳能烟囱通风量，开展了受热竖通道的气体流动研究。1）开展了不同尺寸的受热竖通道实验模型，建立了广泛雷诺数下包含层流和紊流状态的受热竖通道气流数据，获得了具有普遍适用性的热压通道通风计算模型—改进的烟羽模型；2）开展了野外场地示范，获得了实际建筑中在春秋过渡季节和冬天情况下的烟囱通风数据；3）发现了逆温状态下的热压流动规律，据此完善了烟羽模型；4）使用场地数据，验证了烟羽模型，证明烟羽模型可以用于实际设计；5）采用 CFD模拟技术和风洞试验的方法，研究了风压的影响，对烟囱应用中的进出口分布以及出口设置进行了深入的研究。研究成果为受热双通道的流动提供了科学的解释，揭示了受热通道内的流动既有竖壁面自然对流的特征、又有通道内强迫对流的特征的规律，对后面的科学研究有帮助。其次，烟羽模型是首个可以用于预测全天候全年的太阳能烟囱效应，所研发的相关计算软件和实验数据已经通过Mendeley Data数据的方式公开发表，将对实际设计有很大帮助。本成果在许多研究领域都有意义，比如农作物太阳能干燥、建筑自然通风、双层玻璃幕墙的热工性能分析、特伦布墙的应用、电子冷却等。.依托项目，共发表了10篇（4篇SCI，1篇EI）论文，获得两项实用新型专利，申请了2项国家发明专利和1项美国专利,培养了5名研究生。