王云山 王蘭 楊晶

摘 要：該文通過數(shù)值模擬主要研究了太陽能煙囪高度、深度之間的優(yōu)化關(guān)系，以及空氣質(zhì)量流量與太陽能煙囪幾何尺寸之間的關(guān)系。得到了NuL取得最大值時(shí)，在105 ≤ RaL ≤ 1012范圍內(nèi)，（b/L）opt的關(guān)聯(lián)式。RaL值越高，NuL取得最大值時(shí)，（b/L）opt越小。得到了無量綱質(zhì)量流量M取得最大值時(shí)（b/L）opt的值，在RaL相同時(shí)，它大于NuL取得最大值時(shí)的（b/L）opt值，且同時(shí)優(yōu)化太陽能煙囪內(nèi)空氣的傳熱和流動(dòng)性能是不可行的。

關(guān)鍵詞：太陽能煙囪 通風(fēng) 節(jié)能

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（c）-0012-02

太陽能煙囪作為一項(xiàng)改善建筑熱環(huán)境、有效降低空調(diào)耗能，同時(shí)能夠創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑技術(shù)越來越被人們所重視。太陽能煙囪技術(shù)是指它的一個(gè)或多個(gè)壁面是由玻璃蓋板構(gòu)成的透明墻體，利用透過透明玻璃的太陽輻射熱增大煙囪內(nèi)外的溫差從而增加空氣的浮力和熱壓，利用煙囪效應(yīng)的抽吸作用強(qiáng)化自然對(duì)流換熱，使流速增大，增大室內(nèi)通風(fēng)量，改善通風(fēng)效果，從而使房間達(dá)到通風(fēng)、降溫、排除有害氣體的目的，太陽能煙囪的應(yīng)用研究對(duì)于推動(dòng)新能源與生態(tài)建筑一體化具有重要意義[1-2]。

該文主要研究了太陽能煙囪高度、深度之間的優(yōu)化關(guān)系，以及空氣質(zhì)量流量與太陽能煙囪幾何尺寸之間的關(guān)系。

1 計(jì)算模型

圖1中，1為玻璃蓋板，2為集熱墻，進(jìn)口為A，集熱墻厚度為E，煙囪寬度為b，高度為L(zhǎng)，空氣由室內(nèi)進(jìn)入進(jìn)口在煙囪內(nèi)向上經(jīng)出口流出。UWF條件指墻體溫度均勻?yàn)門w，下面分析中b/L=0.005～0.5，A/L=E/L=0.1。在純粹自然對(duì)流中，浮力導(dǎo)致的流動(dòng)強(qiáng)度可用瑞利數(shù)Ra來判定：

（1）

若瑞利數(shù)小于108，浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流為層流；瑞利數(shù)大于108 時(shí)，為湍流。

基于壁面L的GrL數(shù)為[3]：

（2）

1.1 控制方程

在室內(nèi)空氣流動(dòng)計(jì)算中的浮升力項(xiàng)采用Oberbeck–Boussinesq近似，假定在垂直方向上浮升力項(xiàng)除了密度變化外，流體的熱物性參數(shù)為常數(shù)，假定墻體為絕熱壁面，熱流量均勻，則穩(wěn)態(tài)、二維、不可壓縮、紊流的Navier–Stokes方程可以簡(jiǎn)化為[4]：

式中Uj，T和P分別為平均速度，平均溫度和平均壓降，β是熱膨脹系數(shù)。為湍流應(yīng)力，為熱通量，假定：

（6）

νt為湍流運(yùn)動(dòng)粘度，Prt為湍流普朗特?cái)?shù)，Sij是平均應(yīng)變張量，可由下式計(jì)算：

為Kr?necker變量，k為湍流動(dòng)能，。假定湍流普朗特?cái)?shù)Pr=0.86。

1.2 邊界條件

在壁面上，對(duì)于平均和紊流速度分量采用無滑移邊界條件。UWF條件指墻體溫度均勻且為Tw，進(jìn)口壁面絕熱，壁面1為絕熱壁面，對(duì)于層流情況，采用非對(duì)稱加熱，紊流計(jì)算中，壁面上k=0。出口的垂直斷面上，平均壓降采用，k的初始值由紊流強(qiáng)度I給定，，為煙囪入口平均流速。在入口上I=（3/2）I22，w=k/vt在自然對(duì)流中，由于入口上初始流速值預(yù)先未知，在出口斷面上假定P=0。此外忽略速度分量、溫度的變化及紊流動(dòng)能[5]。

2 模擬結(jié)果與分析

基于壁面L的平均Nusselt數(shù)：

（7）

L指墻體高度，對(duì)于墻體2，L為L(zhǎng)-A，Nux為局部Nusselt數(shù)，Nux=hxL/k，hx為局部傳熱系數(shù)。煙囪內(nèi)無量綱質(zhì)量流量：M=m/ρν，m為煙囪內(nèi)單位寬度上的質(zhì)量流量（kgm-1·s-1）[6]。

對(duì)于層流，圖2給出了在105≤RaL≤108時(shí)，NuL1（外壁1）和NuL2（內(nèi)壁2）。圖3給出了在105≤RaL≤108時(shí)的M值。在外壁1上，（b/L）opt= 0.235，0.150，0.090和0.058時(shí)，RaL = 105，106，107和108取得最大值。在內(nèi)壁2上，（b/L）opt= 0.220，0.125，0.079和0.050時(shí)，RaL=105，106，107和108取得最大值。RaL值越高，NuL取得最大值時(shí)，（b/L）opt越小。

從圖3中可以看到在RaL=106，105，107和108層流時(shí)，無量綱質(zhì)量流量M隨b/L的變化趨勢(shì)。（b/L）opt=0.325，0.240，0.205和0.225時(shí)，M取得最大值，在湍流，RaL=107，108，109，105和1012時(shí)，對(duì)應(yīng)于（b/L）opt=0.240，0.285，0.150，0.080和0.076時(shí)，M取得最大值。在RaL相同時(shí)，M取得最大值時(shí)，（b/L）opt的值大于NuL取得最大值時(shí)的（b/L）opt值。因此，同時(shí)優(yōu)化太陽能煙囪內(nèi)空氣的傳熱和流動(dòng)性能是不可行的。

從圖4a–c，可以看出在RaL=108，5×1010和1012湍流時(shí)，NuL1和NuL2隨b/L的變化情況。RaL值越高，NuL取得最大值時(shí)，（b/L）opt越小。

從圖2和圖4的數(shù)值模擬結(jié)果中，可以得到在105≤RaL≤1012范圍內(nèi)的如下近似表達(dá)式：

（b/L）opt = 1.500-0.1868（ln RaL）+8.031× （8）

10-3（ln2 RaL）-1.160×10-4（ln3 RaL）

3 結(jié)論

（1）得到了NuL取得最大值時(shí)，在105 ≤RaL≤1012范圍內(nèi)，（b/L）opt的關(guān)聯(lián)式。RaL值越高，NuL取得最大值時(shí)，（b/L）opt越小。

（2）得到了無量綱質(zhì)量流量取得最大值時(shí)（b/L）opt的值，在RaL相同時(shí)，它大于NuL取得最大值時(shí)的（b/L）opt值。因此，同時(shí)優(yōu)化太陽能煙囪內(nèi)空氣的傳熱和流動(dòng)性能是不可行的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 薛宇峰，蘇亞欣.太陽能煙囪結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)效果影響的數(shù)值研究[J].暖通空調(diào)， 2011，41（10）：79-83.

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[6] EBacharoudis，M G Vrachopoulos.Study ofthe natural convection phenomena inside a wall solar chimney with one wall adiabatic and one wall under a heat flux[J].Applied Thermal Engineering，2007，27（13）：2266-2275.