太陽(yáng)能煙囪內(nèi)部氣流換熱特性的數(shù)值模擬

1、第 33 卷第 4 期2014 年 7 月建 筑 熱 能 通 風(fēng) 空 調(diào)Building Energy & EnvironmentVol.33 No.4 Jul. 2014.1719文章編號(hào)：1003-0344（2014）04-017-4太陽(yáng)能煙囪內(nèi)部氣流換熱特性的數(shù)值模擬柳仲寶 1 蘇亞欣 2 劉向鋒 11 上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司2 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院摘要：太陽(yáng)能煙囪是一種利用熱壓強(qiáng)化自然通風(fēng)的有效方法。采用 FLUENT 模擬軟件對(duì)不同高度的太陽(yáng)能煙 囪進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了煙囪內(nèi)部空氣的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及局部對(duì)流換熱系數(shù)的變化情況，結(jié)果表明在集熱 墻與玻璃蓋板的近壁

2、面處，邊界層內(nèi)溫度梯度與速度梯度較大。局部對(duì)流換熱系數(shù)在煙囪進(jìn)風(fēng)口上端一定范圍內(nèi) 的數(shù)值波動(dòng)較大，并隨著豎直高度的增加而逐漸降低，直至流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化后隨著豎直高度的增加而升高。 關(guān)鍵詞：自然通風(fēng) 太陽(yáng)能煙囪 數(shù)值模擬 對(duì)流換熱系數(shù)Numerical Simulation of Thermal Characteristics of the Air in a Solar ChimneyLIU Zhong-bao1, SU Ya-xin2, LIU Xiang-feng11 Shanghai Research Institute of Building Science (Group) Co., L

3、td.2 School of Environmental Science and Engineering, Donghua UniversityAbst r act : Solar chimney is an effective technology to enhance the natural ventilation by heating the air. Solar chimneys with different height were numerically simulated and the temperature distribution, flow field and the lo

4、cal convective heat transfer coefficient of the air were calculated and analyzed. The results showed that the temperature gradient and velocity gradient in the boundary layer near the wall region of the glass cover and absorber wall were relatively large. Within a certain range of the chimney above

5、the inlet, the local convective heat transfer coefficient was higher and gradually decreased with the vertical height of the chimney. When the chimney height increased to a critical value, the air flow began to change from laminar to turbulent flow and the local convective heat transfer coefficient

6、increased again with chimney height.Keyw o rds: natural ventilation, solar chimney, numerical simulation, convective heat transfer coefficient太陽(yáng)能煙囪是一種利用熱壓強(qiáng)化自然通風(fēng)的有 效方法。近年來(lái)研究人員對(duì)不同形式的太陽(yáng)能煙囪自 然通風(fēng)的熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論模型以及數(shù)值 模擬的研究15。在前人建立的理論模型中，普遍采用 經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能煙囪內(nèi)空氣的局部對(duì)流換熱 系數(shù)，進(jìn)而求得煙囪的通風(fēng)量。然而空氣在太陽(yáng)能煙 囪通道內(nèi)受熱流動(dòng)的過(guò)程中，由于速度

7、的變化必然會(huì) 引起玻璃和墻體表面的局部對(duì)流換熱系數(shù)發(fā)生變化， 這必然會(huì)引起換熱過(guò)程的計(jì)算誤差從而影響通風(fēng)量計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此深入探討煙囪內(nèi)部的局部流換熱 系數(shù)對(duì)研究太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)性能具有重要意義。1模型1.1 物理模型太陽(yáng)能煙囪主要由玻璃蓋板、集熱墻以及空氣通 道所構(gòu)成，如圖 1 所示。煙囪的空氣通道的寬度為 0.3m，下部空氣入口的高度為 0.3m，煙囪的高度在收稿日期：2013-6-26作者簡(jiǎn)介：柳仲寶（1986），男，碩士，工程師；上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司（200032）116；E-mail: jkadlzb 基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金（11Z

8、R1401000）；上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司科研創(chuàng)新項(xiàng)目（HT0212051G000）18建 筑 熱 能 通 風(fēng) 空 調(diào)2014 年24m 之間變化。室外太陽(yáng)輻射通過(guò)透明玻璃蓋板進(jìn) 入煙囪通道后被集熱墻的蓄熱材料吸收，從而加熱通 道內(nèi)的空氣，使之產(chǎn)生內(nèi)外密度差形成向上運(yùn)動(dòng)的自 然對(duì)流，從煙囪頂端流出至室外。室內(nèi)空氣則通過(guò)集 熱墻下部的入口流入空氣通道，從而使室內(nèi)的空氣形 成自然通風(fēng)，達(dá)到通風(fēng)換氣的目的。圖 1 太陽(yáng)能煙囪物理模型示意圖1.2 數(shù)學(xué)模型研究證明，煙囪內(nèi)部的空氣流動(dòng)呈現(xiàn)不同的流動(dòng) 狀態(tài)6。集熱墻僅對(duì)其附近的空氣具有明顯的加熱效 果，這使得煙囪入口處以及遠(yuǎn)離集熱墻處的流動(dòng)

9、處于 低湍流狀態(tài)，而在煙囪中上部某些位置的空氣由于墻 壁表面的摩擦增加了流體黏性阻力，使得空氣流動(dòng)狀 態(tài)可能出現(xiàn)層流狀，因此選擇 Realizable k- 湍流模型 作為計(jì)算模型。壁面的邊界條件主要由熱流密度條件給出：假設(shè) 太陽(yáng)能煙囪中玻璃蓋板的透射率為 0.84，吸收率為 0.06， 集熱墻的吸收率為 0.95， 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為 400W/m2， 則玻 璃 蓋 板 表面對(duì)應(yīng)的熱流密度為 24W/m2，集熱墻表面對(duì)應(yīng)的熱流密度為 319.2W/m2。2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析2.1 煙囪內(nèi)部空氣溫度與速度的變化煙囪內(nèi)部空氣沿著煙囪豎直方向的平均溫度與 平均速度的數(shù)值模擬結(jié)果如圖 23 所示。圖

10、2 空氣沿豎直方向的平均溫度從圖 2 中可以看出，從煙囪進(jìn)風(fēng)口上端的水平高 度起，煙囪內(nèi)部空氣沿著豎直方向的溫度逐漸升高，但是在豎直方向 800mm 附近時(shí)，溫度出現(xiàn)一個(gè)極大 值，隨后空氣溫度有所下降，下降趨于平緩，當(dāng)豎直方 向上的水平高度超過(guò) 1000mm 以后，空氣溫度再次增 加，并沿著豎直方向逐漸升高。但是在煙囪出口端處 溫度略有下降的趨勢(shì)，其可能的原因在于出口端處集 熱墻以輻射的方式向環(huán)境釋放部分熱量，以及環(huán)境空 氣溫度較煙囪內(nèi)部空氣溫度低所致。從圖 3 中可以看 出，隨著距離煙囪進(jìn)氣口處高度的增加，煙囪內(nèi)空氣的 平均流速迅速增加，在豎直方向的水平標(biāo)高為 800mm 附近時(shí)，平均速度出

11、現(xiàn)了一個(gè)最大值，隨后平均速度開 始下降，但下降的趨勢(shì)與從煙囪進(jìn)口到速度增大到峰 值時(shí)相比減小很多，空氣的平均速度變化趨于線性。 其原因在于“煙囪效應(yīng)”使得進(jìn)風(fēng)口處產(chǎn)生負(fù)壓，空氣 迅速以水平方向流入煙囪內(nèi)部，在熱壓產(chǎn)生的浮升力 作用下，空氣開始沿著豎直方向運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)風(fēng)口上端 的集熱墻側(cè)出現(xiàn)渦流，使得空氣的流動(dòng)狀態(tài)紊亂，空 氣的平均流速較大；但隨著高度增加，渦街逐漸消失， 空氣的流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，受到流動(dòng)方向阻力的影響，空氣 的平均流速開始下降。圖 3 空氣沿豎直方向的平均速度煙囪內(nèi)部空氣沿?zé)焽枭疃确较虻乃俣扰c溫度變 化的數(shù)值模擬結(jié)果如圖 4，圖 5 所示。第 33 卷第 4 期柳仲寶等：太陽(yáng)能煙囪內(nèi)

12、部氣流換熱特性的數(shù)值模擬19如圖 4 所示，煙囪內(nèi)部的空氣沿著煙囪深度方向（水平方向），溫度分布并不是均勻一致的，在集熱墻與 玻璃蓋板的近壁面處，溫度較高。對(duì)于高度為 2m 的煙 囪，空氣在距離玻璃蓋板 020mm 范圍處，溫度急劇 下降，然后趨于平緩，并向集熱墻側(cè)逐漸升高。在距離 集熱墻熱壁面 020mm 的范圍內(nèi)，溫度驟然上升，其 上升的幅度超過(guò)玻璃蓋板側(cè)的空氣溫度下降的幅度。 從圖 5 可以看出，煙囪內(nèi)部空氣的速度分布沿著煙囪 深度方向也不是均勻一致的，空氣在距離玻璃蓋板 020mm 的范圍處，速度急劇上升，在達(dá)到峰值之后沿 著深度方向逐漸降低，在距離集熱墻壁面 020mm 處，空氣速度

13、突然下降。這是由于集熱墻與玻璃蓋板 壁面附近的空氣被加熱，溫度升高，密度減小，從而引 起密度差形成浮升力，使得空氣沿著壁面向上運(yùn)動(dòng)， 并在熱壁面的近壁面處形成了極薄的溫度邊界層和 速度邊界層。由于邊界層很薄，且邊界層中速度改變 量極大，故在邊界層內(nèi)溫度梯度很大，溫度從壁溫急 劇減小到邊界層邊沿處的主流溫度，在邊界層外，主 流溫度沿著煙囪寬度的變化不大，趨于均勻一致。2.2 局部對(duì)流換熱系數(shù)的求解與分析室內(nèi)空氣由于太陽(yáng)能煙囪熱壓的作用被“吸”入 煙囪內(nèi)部后，由于黏性的作用，近熱壁面處的空氣流 速逐漸降低，在貼壁處被滯止，處于無(wú)滑移狀態(tài)，熱量 將只能以導(dǎo)熱的方式通過(guò)這一極薄的貼壁流體層，所 以由傅

14、里葉導(dǎo)熱定律可得上述各式中 x 分別用為 w、g 進(jìn)行替換，代表集熱 墻與玻璃蓋板，f 為空氣平均值。的平均溫度代替 tf，故由式（3）計(jì)算可得煙囪內(nèi)部局部 對(duì)流換熱系數(shù)沿?zé)焽柝Q直方向的變化趨勢(shì)圖，如圖 67 所示。從圖 6 中可以看到，玻璃蓋板側(cè)的局部對(duì)流換熱 系數(shù)在煙囪進(jìn)風(fēng)口上端 100300mm 內(nèi)數(shù)值波動(dòng)比較 大，并沿著煙囪的豎直方向逐漸降低。其主要原因在 于煙囪的進(jìn)風(fēng)口處負(fù)壓較大，使得流入煙囪內(nèi)部的空 氣流動(dòng)混亂，空氣流速較大，故自然對(duì)流換熱系數(shù)比較 大。然而隨著豎直高度的增加，空氣流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，玻 璃蓋板側(cè)近壁面邊界層內(nèi)的空氣流動(dòng)為層流，邊界層 厚增加使得對(duì)流換熱系數(shù)逐漸降低。高度

15、為 2m 的煙 囪，其對(duì)流換熱系數(shù)在豎直高度 1600mm 處開始停止 下降，此后略有上升，但是變化不明顯；高度為 3m 的 煙囪，其玻璃蓋板側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)在豎直高度為 2200mm 處以后逐漸升高；高度為 4m 的煙囪，其玻璃 蓋板側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)在豎直高度為 2700mm 處逐漸 升高。局部對(duì)流換熱系數(shù)逐漸升高的主要原因在于此 時(shí)邊界層內(nèi)空氣的流動(dòng)已經(jīng)開始從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?過(guò)渡流狀態(tài)。但是從對(duì)流換熱系數(shù)增加的幅度來(lái)看， 并沒(méi)有進(jìn)入嚴(yán)格意義上的湍流狀態(tài)。從圖 7 中可以看出，集熱墻側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)均 大于玻璃蓋板側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)。在進(jìn)風(fēng)口上端 100300mm 的數(shù)值波動(dòng)比較大，但其原因在于

16、此處的 空氣流動(dòng)出現(xiàn)渦流而導(dǎo)致對(duì)流的換熱系數(shù)較大。隨著 豎直高度的增加，空氣流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，集熱墻側(cè)的局部 對(duì)流換熱系數(shù)也逐漸降低，其表面邊界層內(nèi)的空氣流 動(dòng)也為層流狀態(tài)。對(duì)于高度為 2m 的煙囪，其局部對(duì)流 換熱系數(shù)在豎直高度為 1100mm 后停止下降，開始沿 著豎直高度的方向逐漸增加，但增加的幅度不明顯。（下轉(zhuǎn) 28 頁(yè)）28建 筑 熱 能 通 風(fēng) 空 調(diào)2014 年3結(jié)論通過(guò)對(duì)上海既有 8 個(gè)地鐵車站上下排熱系統(tǒng)的 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析得到軌行區(qū)上下排熱系統(tǒng)運(yùn)行存在如下幾個(gè)主要問(wèn)題：上下排熱各風(fēng)口風(fēng)速不均勻，且一般 靠近風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)速較大；部分風(fēng)口存在堵塞現(xiàn)象；部分風(fēng) 口風(fēng)速低于額定風(fēng)速現(xiàn)象。最后

17、通過(guò)對(duì)比上下排熱系 統(tǒng)的實(shí)測(cè)風(fēng)量與額定風(fēng)量的關(guān)系，提出排熱風(fēng)機(jī)能量 浪費(fèi)率的定義，分析了上下排熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化帶 來(lái)排風(fēng)風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力空間。參考文獻(xiàn)1楊巨瀾.地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)變頻技術(shù)方案探討J. 制冷與空調(diào),2008, 22(4): 37-412丁劍哄, 朱偉峰, 葉倩, 等. 屏蔽門對(duì)地鐵站內(nèi)環(huán)境影響的實(shí)驗(yàn) 研究J. 建筑科學(xué), 2006, 22(6A): 58-603匡江紅, 余斌.地鐵空調(diào)通風(fēng)環(huán)境控制系統(tǒng)的節(jié)能探討J.能源 研究與信息, 2003, (4): 218-2224郝盛. 地鐵車站隧道軌頂排熱風(fēng)口設(shè)置形式研究J. 建筑熱能 通風(fēng)空調(diào), 2011, 20(6): 45-475王峰

18、,雷波. 地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能研究J.地下空間與工程學(xué) 報(bào), 2012, 8(1): 172-1766畢正博. 屏蔽門制式地鐵軌行區(qū)通風(fēng)模式研究D. 成都: 西南 交通大學(xué)碩士論文, 20127王永鏢,李炳熙. 地鐵排熱回收熱泵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析J. 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 1(1): 26-29 （上接 19 頁(yè)）對(duì)于高度為 3m 的煙囪，其局部對(duì)流換熱系數(shù)在豎直 高度為 2000mm 處停止下降，而后沿著豎直高度的方 向逐漸增加，增幅明顯，說(shuō)明此時(shí)邊界層內(nèi)的空氣流 動(dòng)為過(guò)渡流狀態(tài)。高度為 4m 的煙囪在高豎直度為 2700mm 處，局部對(duì)流換熱系數(shù)開始增加，在豎直高度 增加到 3

19、700mm 后局部對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到一個(gè)極大 值后略有下降，但下降幅度非常小，說(shuō)明此時(shí)邊界層 內(nèi)的空氣流動(dòng)為湍流流動(dòng)。3 結(jié)論本文采用 CFD 數(shù)值模擬的方法研究了不同高度 的太陽(yáng)能煙囪內(nèi)部空氣的溫度、速度、對(duì)流換熱系數(shù) 的變化情況。研究表明煙囪內(nèi)部的空氣沿著煙囪深度 方向，溫度與速度的分布并不是均勻一致的，在集熱 墻與玻璃蓋板的近壁面處，邊界層內(nèi)溫度梯度與速度 梯度較大，高度為 3m 煙囪其邊界層厚度約為 30mm， 高度為 4m 的煙囪其邊界層厚度約為 40mm。局部對(duì) 流換熱系數(shù)在煙囪進(jìn)風(fēng)口上端一定范圍內(nèi)數(shù)值波動(dòng) 比較大，隨后隨著豎直高度的增加而逐漸降低，直至流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化后隨著豎直高度的增加而升高。集 熱墻側(cè)的局部對(duì)流換熱系數(shù)在 5.58.3W/(m2K)之間 變化，玻璃蓋板側(cè)的局部對(duì)流換熱系數(shù)則在 0.4 1.56W/(m2 K)之間變化。參考文獻(xiàn)1J K Afriyie, M A A Nazha, H Rajakaruna, et al. Experimental investigations of a chimney-dependent sol