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1、 专业英语 翻译 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107到1012变化（正常的在等温条件下）和从1011到1015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
2、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
3、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 ， Koura9, Nouangu , 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
4、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
5、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）。
6、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）；
7、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 Krmn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
8、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
9、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Krnecker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
10、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。3.3数值仿真 我们用Fluent（6.23.6版本）采用数值方法解出了控制方程。并且采用了“Simple”型算法来
11、解决连续性与动量方程的压强耦合以及二阶差分方程的“逆风向”型来解传递函数。并且采用了非均一的笛卡尔坐标网。为了保证数值结果的精确性，对热力烟囱进行了网格依赖性研究，计算域被限定在墙壁之间的空间内（见参考文献16）。虽然网格的适应度可能会影响所得的结果，但可以用来确定最适网格。根据所得结果，可以推出：气流的相关参数可以达到一个小于1的常数值。因此，实现网格独立化的标准设置为。因此，当考虑图1所示的整个计算区域时，给定值的大气风所施加的位置与太阳热烟囱之间的距离会成为数值解决方案要考虑的一部分。为了处理这一物理问题，可以适当假设,同时,这里由于线的存在使得空气流产生了倾斜角从而使，即旋量。本文中所
12、得的大部分结论都是基于上述参数配置的。为了检测域大小对数值结果产生的影响，我们考虑了附加域。在图2中我们可以看到，分别用参考尺寸域与延伸域所得到的质量流率m的相差最大不超过7%。对于更大的域，这一差异趋于零。然而，结果的趋势大部分是一致的。考虑到大尺寸域所需的计算次数与聚合难度都会提高，因此认为,这一参考域可以有效达到既定的目的。大部分情况的计算中网格单元数都为16.300.在图2中我们可以看到，当对数曲线用来表示以边为边界的风速而不是所给的定值时，m值的差异并不明显（总是小于5%）。4.结果讨论4.1相关参数 通道气隙中产生的无量纲的质量流率定义为：，(7)其中，m为二维质量流率（），当和增
13、加时，m和M都会增加。受热墙壁上的基于L的努塞尔特数（Nusselt number）计算如下： (8) 两个表达式分别为UWT和UHF加热条件，其中L为墙壁高度（墙壁2的真实L值必须取L-b），为局部努塞尔特数，其中为局部热传导系数，,为墙壁顶部的温度。风力对太阳能烟囱所产生的动力效应可以通过压力系数来综合表示： 其中，为热烟囱出口区域的静态平均压强（见图1） 其中，为入口区域的静态平均压强（见图1）。4.2数值仿真的有效性作者对本文中所采用的数学与数值仿真模型的有效性进行了验证，这些都发表在之前的论文中。例如，参考文献15中验证了湍流模型。对参考文献17中Versteegh和Nieuwsta
14、dt所得结果的比较如下：图3中示出了Versteegh 和 Nieuwstadt用数值和实验法所得到的无量纲温度曲线17,并且其中的仿真曲线采用Fluent软件中的模型来获得。我们的结果与那些用DNS仿真法所得结果很一致，而且与实验结果的差异小于5%。在参考文献16中，作者陈.等人报出了用数值与实验法的有效性。Warrington和 Ameel 19 , 以及 da Silva 和 Gosselin 20配置了被动式太阳能系统。例如，陈等人18采用只有单一墙壁的均一热流太阳能烟囱模型进行了实验。所得到的m值是在垂直通道中，通道气隙为0.2m，高位1.5m，深度0.62m，设置每一个墙壁上的，分别相当于。在本文中，通过湍流数值仿真，所得到的值相当于。（平均偏差小于4%）对于UWT和UHF两种加热条件，可以定义为热烟囱中浮力所产生的质量流率。Kaiser21用实验方法研究了风力效应对对流式水合太阳能屋顶空调性能的影响。根据这些实验数据，可以得出：当在UWT加热条件下，瑞利数时，的值分别为1,2.5和5时，的值分别等于1.7,3.8和7.5.本文中所得的实验结果也验证了前面所述的发现。4.3质量流率在UWT加热条件下，图4中的a、b分别示出了当m为的函数时所得的数值结果：图中的取值范围分别为：a） ； b）当取足够小的值时，对于大气风速的每一个值，所
