太陽(yáng)能鍋爐自然通風(fēng)模型的數(shù)值模擬研究

太陽(yáng)能鍋爐自然通風(fēng)模型的數(shù)值模擬研究

太陽(yáng)能空氣流動(dòng)特性的研究近年來(lái)，隨著能源消耗和環(huán)境問(wèn)題的提出，利用自然通風(fēng)來(lái)改善環(huán)境和環(huán)境，越來(lái)越受到重視。利用自然通風(fēng)，不僅可以滿足房間的一定要求，還可以節(jié)約設(shè)備、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑環(huán)境。因此，許多歐洲和美國(guó)的建筑工程師對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。建筑的一般意義上的自然通風(fēng)是指通過(guò)特定的開口，在風(fēng)壓和熱壓的作用下產(chǎn)生空氣流動(dòng)。然而，由于室外空氣密度的差異，以及內(nèi)部空氣密度的差異，太陽(yáng)能屋頂效應(yīng)，就是“屋頂效應(yīng)”。利用太陽(yáng)熱增加頂層和室內(nèi)空氣溫度的溫差，增加浮力，提高室內(nèi)通風(fēng)量，減少室溫。到目前為止，人們已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)能煙臺(tái)進(jìn)行了一些研究，并在理論、實(shí)驗(yàn)、模擬和模擬方面取得了一些成果。然而，當(dāng)前的研究主要集中在太陽(yáng)輻射熱的吸收和對(duì)稱換熱特性的研究上。然而，關(guān)于煙草本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少，很少有設(shè)計(jì)圖紙和材料。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究。本文件的研究?jī)?nèi)容是將熱態(tài)自行空氣輸送至太陽(yáng)能裝置的空氣通道。重點(diǎn)是比較和研究不同加熱面、不同開口位置和開口度影響下的自然通風(fēng)量，確定開口度、溫差和開口面之間的定性和定量關(guān)系，以及不同結(jié)構(gòu)體的最佳形狀。確定設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。1模型和求解方法1.1自然通風(fēng)方式圖1表示本文所研究的分析模型,其特點(diǎn)為:模型尺寸:L(長(zhǎng))×B(寬)×H(高),其中L=0.5～5.0m,B=0.1～0.5m,H=2.0～5.0m,B/H=0.05～0.25.側(cè)面受到太陽(yáng)照射,其表面溫度TW為30～70℃出風(fēng)口面積與進(jìn)風(fēng)口面積比Ar為0.6～0.8.為使用穩(wěn)態(tài)模型,出風(fēng)口距離煙囪上頂面尺寸取0.1H,使頂部形成較為穩(wěn)定的氣流根據(jù)受熱側(cè)面的位置及數(shù)量變化和出風(fēng)口位置變化,可將其分為四種自然通風(fēng)方式:(1)單個(gè)側(cè)面受太陽(yáng)輻射熱,出風(fēng)口開在受熱面一側(cè)的自然通風(fēng)方式;(2)單個(gè)側(cè)面受太陽(yáng)輻射熱,出風(fēng)口開在非受熱面一側(cè)的自然通風(fēng)方式;(3)兩相鄰側(cè)面受太陽(yáng)輻射熱,出風(fēng)口開在受熱面一側(cè)的自然通風(fēng)方式;(4)兩相鄰側(cè)面受太陽(yáng)輻射熱,出風(fēng)口開在非受熱面一側(cè)的自然通風(fēng)方式.則受熱面和出風(fēng)口位置的變化對(duì)應(yīng)四種自然通風(fēng)方式,對(duì)于每一種自然通風(fēng)方式,依次研究受熱面溫度TW,煙囪高度H,長(zhǎng)度L,寬度B,出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口面積之比Ar對(duì)通風(fēng)量的影響,以便找到太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)量的變化規(guī)律.1.2流體密度公式采用基于時(shí)均化法則基礎(chǔ)上的零方程模型進(jìn)行求解.因?yàn)榱惴匠袒贜-S方程,不需要求解偏微分方程,僅需要較小的計(jì)算機(jī)內(nèi)存即可完成,并且具有較快的計(jì)算速度,實(shí)踐表明,采用零方程模型可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)紊流流動(dòng)的計(jì)算,并取得理想的結(jié)果.推導(dǎo)零方程模型控制方程時(shí),應(yīng)用的主要假設(shè)和簡(jiǎn)化有:(1)“煙囪”內(nèi)的氣流為低速流動(dòng),可視為不可壓縮流體,并滿足理想氣體狀態(tài)方程.(2)室內(nèi)氣體,屬于牛頓流體,表面應(yīng)力滿足廣義牛頓粘性應(yīng)力公式為Pij=[?P+(μ′?23μ)??Vˉˉˉ]δij+2μγij(1)Ρij=[-Ρ+(μ′-23μ)??Vˉ]δij+2μγij(1)式中:μ′為第二粘性系數(shù);γij=12(?Vi?xj+?Vj?xi).γij=12(?Vi?xj+?Vj?xi).(3)Boussingq假設(shè):①認(rèn)為流體密度的變化對(duì)慣性力項(xiàng)、壓力項(xiàng)、粘性力項(xiàng)的影響可忽略不計(jì);僅考慮密度的變化對(duì)質(zhì)量力的影響,即僅在計(jì)算浮升力時(shí)考慮流體密度的變化.②密度差與溫度差成正比.根據(jù)以上簡(jiǎn)化和假設(shè),可得紊流時(shí)均流動(dòng)方程組:?Vi?xi=0(2)?ρVi?t+?ρiViVj?xi=?P?xi+??xj[μeff(?Vi?xj+?Vj?xi]+ρβ(T0?T)gi(3)?ρT?t+?ρViT?Xj=??Xj[τT,eff?T?Xj]+qcp(4)?Vi?xi=0(2)?ρVi?t+?ρiViVj?xi=?Ρ?xi+??xj[μeff(?Vi?xj+?Vj?xi]+ρβ(Τ0-Τ)gi(3)?ρΤ?t+?ρViΤ?Xj=??Xj[τΤ,eff?Τ?Xj]+qcp(4)本文采用美國(guó)麻省理工學(xué)院的MITFLOW程序,求解模型中三維溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布.計(jì)算中假定進(jìn)風(fēng)口溫度及流速,并檢驗(yàn)出風(fēng)口空氣流量,使其與進(jìn)風(fēng)口空氣流量達(dá)到平衡為止,計(jì)算誤差小于1%.數(shù)值計(jì)算中對(duì)大量的工況進(jìn)行了模擬計(jì)算,以期找到太陽(yáng)能煙囪增強(qiáng)自然通風(fēng)的最佳工況.2熱壓確定時(shí),煙氣高度變化時(shí),熱壓隨熱高比b/h和加熱面溫度的變化時(shí),煙氣總通風(fēng)量隨高度和政府熱壓的變化,熱壓隨熱面溫度的變化,是熱面溫度的變化,是熱面溫度的變化,是熱面溫度的變化,是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn),是熱面溫度的出現(xiàn)在煙囪效應(yīng)下,空氣被抽升并排出,其通風(fēng)量可表示為:G=353T0V0A0(5)G=353Τ0V0A0(5)其中G、T0、V0、A0分別表示通風(fēng)量(kg/s),出風(fēng)口排風(fēng)溫度(℃),出風(fēng)口排風(fēng)速度(m/s),出風(fēng)口面積(m2).將數(shù)值模擬結(jié)果整理并代入上式,可得太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)量G與煙囪高度H、煙囪寬高比B/H、出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口面積比Ar及煙囪表面溫度TW的關(guān)系,如圖2～5所示.圖2為不同形式的煙囪通風(fēng)量隨煙囪高度的變化,圖中顯示變化分為兩個(gè)過(guò)程:高度較小時(shí),通風(fēng)量隨煙囪高度H增加而增大,而當(dāng)高度增加到一定值時(shí),通風(fēng)量有所下降.這是因?yàn)楫?dāng)煙囪寬度確定時(shí),隨著煙囪高度的增加,引起空氣流動(dòng)的熱壓隨之升高,增加煙囪高度對(duì)換熱的影響主要表現(xiàn)在改變了過(guò)渡區(qū)特別是正在發(fā)展區(qū)的換熱量.而當(dāng)煙囪高度增加到一定值時(shí),煙囪內(nèi)的有限空間換熱達(dá)到充分發(fā)展區(qū),此時(shí),再增加高度對(duì)換熱影響不大,因此通風(fēng)量有所下降.圖3為改變煙囪寬高比時(shí),通風(fēng)量的變化規(guī)律.從圖中可以看出,通風(fēng)量隨B/H的變化呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),達(dá)到一定寬高比后,通風(fēng)量幾乎不再隨寬高比變化.此時(shí)煙囪內(nèi)的換熱情況接近于自由空間.當(dāng)寬高比B/H約為1/10時(shí)通風(fēng)量達(dá)到最大值.Bouchair和S.Spencer等都曾對(duì)太陽(yáng)能煙囪自然通風(fēng)做了實(shí)驗(yàn)研究,S.Spencer的實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,太陽(yáng)能煙囪自然通風(fēng)確實(shí)存在著一個(gè)最佳值,且最佳寬度尺寸與煙囪高度,進(jìn)、出風(fēng)口的尺寸等有關(guān),Bouchair的實(shí)驗(yàn)則表明當(dāng)寬高比約在1/10時(shí),通風(fēng)量達(dá)到最大值,當(dāng)超過(guò)優(yōu)化尺寸寬度以后,由于煙囪出口中心處有回流使得通風(fēng)量減小.圖4為出風(fēng)口面積與進(jìn)風(fēng)口面積比Ar變化時(shí),通風(fēng)量的變化規(guī)律.從中可以看出,當(dāng)出風(fēng)口面積與進(jìn)風(fēng)口面積比增加時(shí),通風(fēng)量隨之增加.當(dāng)出風(fēng)口面積增加時(shí),上浮的空氣能及時(shí)排出,有利于通風(fēng),則通風(fēng)量隨之增加.從圖5可以看出,不同煙囪形式通風(fēng)量隨著加熱面溫度變化分為兩種情況:當(dāng)出風(fēng)口開在加熱面上時(shí),通風(fēng)量隨加熱面溫度的增加有較大增加,出風(fēng)口開在非加熱面時(shí),通風(fēng)量隨加熱面溫度的升高增加不大.另外,從圖中還可以看出,當(dāng)加熱面溫度增加到一定值以后,加熱面溫度對(duì)通風(fēng)量變化的影響逐漸減小;此時(shí),隨著溫差增大,自然對(duì)流的抽吸驅(qū)動(dòng)力增大,使得抽吸流率要增大.但是溫差增大的同時(shí),一方面使氣體的粘性阻力增大,另一方面氣體密度減小,體積膨脹,引起附加的熱阻力,使得通風(fēng)量隨溫差的變化減小.3行氣的影響計(jì)算的所有工況中,通風(fēng)量范圍為0.0293kg/s～0.182kg/s,可以看出,煙囪內(nèi)空氣流速較小,通風(fēng)量也較小,可以考慮適當(dāng)采用風(fēng)機(jī)或在煙囪下部設(shè)集熱板以加大通風(fēng)效果.由理論分析和數(shù)值模擬可知,煙囪通風(fēng)量大小與煙囪的高度,寬度,進(jìn)排風(fēng)口面積及太陽(yáng)輻射熱等因素有關(guān).且通風(fēng)量達(dá)到最大值時(shí),煙囪的寬高比約取1/10.通風(fēng)量隨著煙囪高度的增加而增加,但由于煙囪斷面的