大空间气流组织失稳机理与对流反演营造研究

Stability principles and inverse convection design procedures of air flows in the large space have been proposed, concerning with the safe and desired ventilation of large spaces. Firstly, flow stability principles of multi-thermal gradients and multi-component ventilations are analytically modeled coupling with the controlling variables and building thermal storages, in which multi-solutions and their mutual-transitions are investigated with the effects of initial conditions, abrupt-changing variables, and thermal storages. Flow stability principles are further constructed through the bi-directional simulations, where the detailed instability processes of air flows in the large space could be simulated. Subsequently, inverse convection design procedures for the large space air environment are programmed with multi-objectives and multi-controlling variables, with which the controlling variables including the space thermal loads and wind ports could be determined by the local ventilation requirements and desired separating air flow layers. Following that, flow stability principles and inverse convection design procedures are organically combined to obtain the stable and optimized inverse-design results, and non-stable solutions are intentionally avoided. Finally, stability principles and inverse convection procedures are validated through water-tank experiment and on-site field measurements. Reliable safety of human breathing and manufacture ventilation, complete satisfaction of personnel and manufacture ventilation requirements are fully ensured through the implementation of this proposed research, where the scientific methodology and sound routes will be presented.

基于大空间通风安全和通风需求，项目将发展大空间空气流动稳定性理论和对流反演设计程序。首先将构建大空间多维温度梯度多元通风过程流动稳定理论分析模型，通过耦合控制变量和建筑蓄热，探讨初始条件、突变控制变量、建筑蓄热等对大空间空气流动多态解及其演变的作用和影响；按双方向模拟方法建立空气流动稳定理论模拟模型，联合理论分析模型详细探讨大空间空气流动失稳过程机理。接着建立大空间空气环境多需求目标多控制变量的对流反演设计程序，实现由大空间局部通风需求与理想隔断气膜状态等需求目标确定大空间热荷载与开口等控制变量。然后结合空气流动稳定理论模型和对流反演设计程序，避开流动失稳区段，获得大空间流动稳定的对流反演设计优化结果。最后，通过水箱模型实验和现场实测充分验证大空间空气流动稳定理论和对流反演程序。该研究将为稳定保障大空间人员呼吸和生产通风安全、全面满足大空间人员活动和生产过程通风需求等提供科学方法和途径。

公共大空间人工环境营造一直占据城市公共建筑能源消耗的主要部分，解决该问题的关键技术瓶颈是理解大空间气流组织动力学特性和发展基于需求侧的建筑环境流动反演设计理论。.有特色的基础研究工作包括：(1) 建立了热湿耦合扩散输运模型及其壁面相变边界条件，充分理解了热湿地区自然通风建筑大空间室内湿空气流动迁移机制，对提升南方热湿地区自然通风潜力具有重要意义；(2) 建立了大空间建筑多元通风理论分析和数值模拟模型，通过演化不同初始条件和作用参数有效地理解了多元混合通风作用模式下建筑室内多态流动行为，该研究对深入理解大空间室内自然通风、机械通风和多元通风的流动换气特性、充分利用建筑自然通风降低大空间空调能耗、准确预测大空间环境流动与污染物传播途径等具有重要意义；(3) 建筑大空间室内空气环境需求出发按共轭梯度优化算法建立了流动反演设计与控制模型，并实现了对室内自然对流过程、室内耦合自然对流过程、室内混合对流过程等多类边界热源宗量和多种室内热环境目标的过程优化设计及控制。另外还发展了逆时间反演算法和概率追溯反演算法辨识室内气态污染源，反演辨识过去时刻室内污染源的初始位置，这些研究将为实现人性化室内环境控制、保障建筑环境安全等提供理论依据与实施途径。(4) 建立了学校教室环境能源消耗理论模型，探讨了不同气候条件下建筑通风热回收的效能及其适应范围。通过发展低能耗学校建筑环境与通风热回收耦合模型，有利于实现改善学校大空间环境和降低学校通风空调运营能耗的双赢。(5) 通过建立大空间建筑环境缩比例尺水箱模型及其非接触测量系统，有效验证了大空间环境多态流动特性和多宗量多目标的对流反演模型。.受该项目资助，课题组已经在国际权威期刊上发表论文14篇、国际会议论文5篇；荣获中组部青年千人计划、湖南省杰出青年基金和湖南省科技进步二等奖各一项，培养硕士和博士研究生11名。课题组不仅发展了各类建筑环境流体动力学理论分析方法和计算理论、完善了计算流体动力学反问题研究平台，并结合非接触测量技术更加充实了建筑环境流动模拟的实验验证平台。这些研究成果都将为进一步深化大空间建筑环境流体流动稳定理论、建筑环境通风安全理论等提供技术和理论基础。