耦合基于CFD伴随方法和积耗散理论逆向设计建造环境

To improve the thermal comfort and health and to decrease the energy consumption by HVAC systems in buildings in China, it is crucial to design and optimize the indoor air distributions. The current methods used in optimizing air distributions in buildings mainly considered the thermal comfort level as the design objective. In real engineering application, it is also necessary to consider the energy consumption by HVAC systems and indoor air quality as the design objective. Based on our rich experience on the subject, this proposed research is to develop the objective function for energy consumption by HVAC systems and indoor air quality by using the Entransy theory. The objective function was optimized by the CFD-based adjoint method. On the other hand, this project will develop an integrated adjoint method and Entransy theory for the fast inverse design of built environment. This study will conduct the numerical and experimental investigation to identify the most appropriate method for establishing the objective function, validate the efficiency and accuracy of the integrated adjoint method and Entransy theory. Through the inverse design of indoor environments ,this investigation will solve two key scientific problems: (1) the mechanism for inverse design of air distribution in buildings with the integrated adjoint method and Entransy theory and (2) the criteria for the solution existence, uniqueness, and multiplicity of the inverse design of indoor environment in buildings. This research will also provide a theory and method on how to design a healthy, comfortable, and energy-efficient living and working environment in China.

为了提高我国建筑室内环境的舒适性和健康性，降低我国建筑的通风能耗，我们需要对建筑室内气流组织进行设计和优化。当前国际上应用的室内环境的优化方法主要针对建筑环境的热舒适，然而在实际工程中我们同样需要考虑暖通空调系统的能耗和室内空气品质。本团队将基于在相关领域研究的深厚积累，计划通过积耗散理论来建立基于伴随方法逆向设计暖通空调系统能耗和室内空气品质的目标函数，并且有机的结合伴随方法和积耗散理论建立快速的逆向优化设计方法。本项目拟采用实验测试与数学机理建模相结合的研究方法确定目标函数的建立方法，验证耦合伴随方法和积耗散理论的逆向设计方法，同时确定解的存在性、多重性和唯一性。从而解决（1）耦合伴随方法和积耗散理论的逆向设计室内环境的原理和（2）气流组织逆向设计求解的存在性、唯一性和多重性的判断准则这两个关键科学问题。本课题将为我国设计健康、舒适并且节能的生活和工作环境提供所需要的理论和技术。

人们90%的时间都待在建造环境中，因此保证健康、舒适和节能的建造环境至关重要。通过设计和控制建造环境中的气流组织可以达到这一目的。目前采用逆向设计方法来设计建造环境中的气流组织，不仅比传统的试错法快，并且可以获得最优的设计参数。但是目前的逆向设计方法还存在一些问题，其中对设计结果影响最大的就是目标函数的设定能否真实反应设计需求。本项目的目的是开发和验证采用积耗散理论建立设计目标函数，对建造环境进行逆向设计。按照项目计划书的内容，本项目完成了如下研究工作：..（1）建立了耦合伴随方法和积耗散理论的逆向设计室内环境的原理，并且在开源计算流体力学软件OpenFOAM中编程实现，最后通过实验数据进行了方法的验证。..（2）通过理论分析和实验验证，建立了了气流组织逆向设计求解的存在性、唯一性和多重性的判断准则。..（3）开发了耦合CFD和人体热调节模型的计算方法，将人体的传热和室内气流组织的模拟结合。通过实验验证，我们发现该耦合方法一方面可以提高室内气流组织模拟的计算精度，另一方面可以获得人体的皮肤温度。..（4）将耦合CFD和人体热调节模型的计算方法用于逆向设计建造环境的热环境，一方面提高了逆向设计的精度，另一方面采用人体的皮肤温度量化热舒适，可以更好的预测热舒适和降低局部的不舒适。..依托本项目在相关领域的国际期刊发表论文5篇，在审2篇。在本专业国际学术会议上发表会议论文4篇，进行口头报告4人次。