方腔内移动物体及其产热引起的对流换热耦合机理研究

The interior thermal environment, induced by the rolling stock in the metro tunnel, can be taken as the flow and thermal phenomena under the integrated functions of buoyancy and inertia forces. Based on this, the mechanism of the coupled convective heat transfer induced by the moving object with heat generation in the square cavity is abstracted and fundamentally studied by numerical and experimental methods.Through the analysis of the thermal exchange mechanism between moving interface and internal flow field in the square cavity,the dynamic coupled equations among the terms of convection, diffusion and moving interface are established. The traditional numerical method and new Lattice-Boltzmann method are adopted for the solution of whole discrete field. The flow characteristics of convection induced by the moving heat source and the nonlinear problems of oscillation and bifurcation are investigated. The experimental work under different conditions validate the above dynamic coupled model, and the sensitivity analysis under mutiple parameter changes are also tested for this model. This academic research improves the theory of convection in the square cavity, and presents the essential heat transfer principles. For the engineering application, it extends the current Lumped Capacity method for the thermal environment analysis in the metro tunnel, and also provides the academic support for the predictions of pollutant diffusions like PM2.5 in subway tunnel.

轨道交通隧道内移动列车引起的内部热环境问题，可归结为方腔内浮升力与惯性力综合作用下的流动与换热现象。本课题以此为工程背景，抽象出方腔内移动物体及其产热引起的对流换热耦合问题，并对其进行基础理论分析和实验研究。通过分析移动界面产热及其以对流的方式与方腔内部流场进行热量交换的机理，建立对流换热控制方程中的对流项、扩散项和移动界面的动态耦合方程，利用传统数值方法辅以新的格子波尔兹曼数值方法，进行整场离散求解，分析方腔内移动热源引起的对流换热特性及数值解的振荡和分岔等非线性问题。通过实验进行多工况测试，验证上述动态耦合理论模型，并利用该模型进行多参数敏感性分析。本课题的研究成果将完善方腔内部对流换热耦合分析理论，揭示其内在的传热学规律。在工程应用上，将对目前轨道交通隧道热环境分析中常采用的一维断面集总参数法进行拓展，揭示的流场产生与发展规律也可为隧道内悬浮颗粒物PM2.5等的传播研究提供理论依据。

方腔内移动物体及其产热引起的热质耦合对流换热研究对建筑内污染物传播、轨道交通内部热环境及火灾安全研究具有重要意义。本项目建立了对流换热控制方程中的对流项、扩散项和移动界面的动态耦合方程；分析了不同参数下如理查德森数Ri、路易斯数Le及浮升力比Br等引起的内部热质耦合传输特性；分析了数值解的振荡和分岔等非线性特性；研究了均匀多孔介质和复合方腔内部流动与热质传输特性；对孔隙尺度方腔内多孔介质理论模型构造方法QSGS进行了优化；对格子方法进行了一定的发展，通过引入浓度分布函数，构造用于模拟孔隙尺度多孔介质方腔内传热传质现象的LB模型。主要成果体现如下：利用表征移动物体引起的混合对流的无量纲数Ri可以有效的用来评估方腔内部流动与热质传输规律；不同热源和出口位置下方腔内部流动与热质传输特性并不相同；在一定无量纲参数条件下，数值解将会经历稳定、周期性振荡及非周期性振荡等过程；不同出口位置也会引起不同的数值解振荡与分岔特性，这种现象可以用来解释方腔内部流动与热质耦合的非线性特质；能量传输和物质迁移同时进行时产生的Soret效应和Dufour效应在自然对流情况下不能忽略等。研究内容可以完善方腔内部热质耦合理论，揭示不同参数下的方腔内部传热与传质的耦合特性。在工程应用上，揭示的流场产生与发展规律也可为隧道内悬浮颗粒物PM2.5等的传播研究、污染物在土壤内的迁移及多孔建材中挥发性有机化合物（VOC）的扩散提供理论依据。. 项目共发表学术论文37篇，其中SCI国际核心期刊论文11篇（SCI已检索7篇，EI已检索8篇），EI国际期刊论文1篇（已检索），国内核心期刊12篇（EI检索3篇），国际会议论文4篇，国内会议论文9篇。授权实用新型专利一项，申请发明专利一项。