(整理)太阳能烟囱外文翻译.

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电气: 091502班

姓名：任树平

学号：200915010216

针对用于建筑物通风的太阳能烟囱中的

浮力风混合驱动气流的数值分析

摘要:

在一个太阳能烟囱中，浮力诱导空气在建筑物之中流通。当气流吹过太阳能烟囱的上部，一种混合浮力风能驱动就随之出现了，之后烟囱里的热行为动态的改变起来。假定这个烟囱的上部没有任何的保护装置，随着风速从0到10m/s，测得的压差系数，平均努塞尔数和包含其中的质量流率得到了瑞利数从10^7到10^12变化（正常的在等温条件下）和从10^11到10^15变化（正常的均匀热流加热条件下）。一个被认为是完全适用于相对参数变化的无量纲的质量流动率被提出，其平均误差大约在6%。

1 引言

无源太阳能系统被认为是生物气候学设计的基本组成部分。如今，高效的通风和对热的舒适度要求对人类是非常重要的。实际上，对节能的要求促使工程师和建筑师利用无源设备去发展新的技术来改善通风，加热和制冷方法。

这个在无源系统目标被称为热虹吸，热虹吸管或者是太阳能烟囱，靠在建筑物的房子里，主要是通过空气的流动来为建筑物提供自然的通风。通常，热虹吸是由反光的太阳能烟囱产生的，甚至可以看作是一个典型的叫做特隆布墙的系统的一种形式。与这种典型的特隆布墙的应用正好相反，太阳能烟囱的目的在于在白天（当室内空气不流通时）为建筑物提供自然通风。

班塞尔等人做出了一个数学模型来评估体积流量率的变换是基于太阳辐射和周围温度随着排出系数的变化。为了改善建筑物内部的空气一个流通，班赛尔等人提出了联接的太阳能烟囱-风塔系统。他们估算一个太阳能烟囱的热效应会随着风速的变低而升高。通过在建筑物中的太阳能烟囱伴随着高温反弹，甘和瑞福特报告的数值结果为自然通风做出了解释。

像Onbasioglu，Egrican，BansalDing，Burek ，Habeb , Harris ，Helwig 等一些人正在研究这些领域的更深层次问题。最近，Bassiouny ，Koura[9], Nouanégué , Kalantar , Lee ，Strand 等人已经报告了关于太阳能烟囱的有利研究。

到目前为止，大多数报告已经可以处理这些基于浮力包括流动的空气的情况。尽管一些对为公寓和建筑物通风的浮力（太阳能的或者热能的）烟囱的研究已经试验过，但是还是缺乏一种对太阳能烟囱的对流做系统性的研究，主要在于大气风已经被检测到了。就像Bansal等人提到的，通风是由于热风筒和风塔组合的结构高于单独的风塔结构而产生的空气流动。Awbi透露出了一些为建筑物自然通风的工程设计想法。例如，总的诱导率可以在混合关联参与下通过计算获得，流量一方面受到对外界风的吸收的影响，另一方面受到浮力的影响。

目前的研究工作主要集中在对太阳能烟囱（使用截断几何）中由风和浮力诱导产生的空气流动进行数值分析，包括一个大型补充域模拟大气风。由于主要的目标在于分析在太阳能烟囱中的热和风的动态流动的参数而产生的影响，墙上的通道被看做是等温的或者是用均匀热流加热。其中的对流性气流可能为层流型，过渡型或者紊流型，这取决于浮力的大小。由于标准的对数壁面函数可能不适用于计算自然对流型边界层，因此我们采用了低阶雷诺兹（Reynolds）紊流模型来

解决各种情况。并且采用了基于有限容积过程的通用型Fluent软件对气流进行了评估。参考文献[14]的作者得到了关于层流式气流的有效结论，参考文献[15]中也得到了关于过渡型和湍流型气流的结论。运行流体设置为空气,。

2.问题定义

为了对设在房间内的太阳能烟囱进行正确的仿真，有必要建立一段水平端接部分来连接烟囱与房间（见图1）。b区代表墙与墙之间的间隔，L代表烟囱高度。在外壁1与内壁2之间被加热的空气在浮力或风力驱动下上升。A-B-C-D-E-F外部区域附加于太阳能烟囱区域中。热烟囱出口区域为不受限区域，在这一区域内没有会对风加速或风向偏转的特殊设备。大多数情况下

在所有情况中，垂直墙壁被视为加热体，而水平墙壁被视为绝热体。我们考虑了两种加热条件：统一墙壁温度，UWT加热模式（垂直墙壁温度为）;均一热流，UHF加热模式（垂直墙壁为q）.假设垂直通道（壁1与壁2）为轴对称加热条件，参考几何数据为：,即入口处水平端接段纵横比，L=3.76m。

我们评估了两种类型的大气风类型：正风速，即当风通过边界从左侧进入时（如图1）；负风速，即当风通过边界从右侧进入时。两种情况下的风速值范围为.代表房间屋顶（H代表区域总高度，即图1中的）。大部分数值仿真结果是通过统一的风速曲线来获得的，或正或负。在一些情况中则通过对数律曲线得到。著名的对数边界层曲线可以写成:

其中，代表摩擦速度，代表von Kármán常数取0.41。代表地形表面粗糙度，本文中的典型值取0.01m。同预计的一样，应用在临界条件中的曲线类型会影响气流特性。为了检验这一影响，规定了如下两种不同情情形：

情形1：对数型线，通过匹配适当的值来达到与给定的统一线型相同的动量。

情形2：对数型线，通过匹配适当的值来达到与给定的统一线型相同的热烟囱出

口区域相同的风速值。

关于热力学无量纲参数，基于L的瑞利数（Rayleigh）定义为，其中代表格拉肖夫（Grashof）数。

分别对应UWT和UHF加热条件。

为了包含扰流域内的所有实际运行情况，UWT加热条件下的瑞利数范围为，UHF加热条件下为.为了验证所得结果，在瑞利数，UWT加热条件下进行了层流式仿真。层流式与紊流式的融合效果是非常成功的。绝热条件下的参考指标为:

3.数学与数值模型

3.1运动控制方程

稳态二维非压缩气流湍动的简化时间平均Naviere -Stoker方程如下：

(3)

(4)

(5)

其中分别表示平均速率，平均气温与平均压陷（内外部压差）。并且采用了布辛涅斯克近似（为热补充率）。根据湍流闭合模型，湍流压力以及湍流热流量分别为：

(6)

这里和分别表示湍流运动粘度和湍流普朗特数（取0.86）；表示湍流动能，;为平均拉力张量/2,为Krönecker增量。

湍流闭合问题通过k-模型来解决，其中包括湍流动能k以及指定耗散两个量的传递方程。在现有工程中应用k-模型主要是因为它包含近壁湍流的低阶雷诺兹拓展，从而实现了对过渡型气流的仿真。因此，当网孔变得特别精细且内部包含节点时，这一模型可以用来计算粘性子层中的气流。

3.2临界条件

计算区域包含墙壁之间组成的空间以及由A-B-C-D-E-F所组成的广阔区域，从而合适地确定风速临界条件。

在墙壁处，应用了平均和湍流速率部分的无滑移临界条件。在UWT情形下，垂直墙壁处的温度始终固定;在UHF情形下，热量流固定，其中为距墙面垂直坐标。在所有条件下，水平墙壁（入口导管）始终为绝热的。在湍流情形下，墙壁处k=0 ，

其中湍流模型常数。

在热烟囱入口导管垂直横截面处（图1），平均总压陷为,涌入的空气的温度始终为=300K。

在出口区域水平上方（图1），认为P=0.除此之外，沿气流方向的速率元件变量，温度，湍流动能以及湍流频率忽略不计。当边界上建立了给定的风速值时，区域的垂直极限也有着相同的条件。当在边界确定时，前述的压力出口边界也会出现相一致的条件。