太陽(yáng)能煙囪內(nèi)部氣流換熱特性的數(shù)值模擬

柳仲寶 蘇亞欣 劉向鋒

1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

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1

1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

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。

自然通風(fēng)太陽(yáng)能煙囪數(shù)值模擬對(duì)流換熱系數(shù)

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[1～5]。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2～4m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)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-ε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2～3所示。

圖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)，平均速度出現(xiàn)了一個(gè)最大值，隨后平均速度開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

圖4 空氣沿?zé)焽枭疃确较虻臏囟茸兓?/p>

圖5 空氣沿?zé)焽枭疃确较虻乃俣茸兓?/p>

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0～20mm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0～20mm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0～20mm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0～20mm處，空氣速度突然下降。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，所以由傅里葉導(dǎo)熱定律可得

另一方面，qx為對(duì)流換熱量，也可以用牛頓冷卻公式來(lái)表達(dá)，并假設(shè)近壁面處的局部對(duì)流換熱系數(shù)為hx，則

由式（1）和式（2）整理可得局部對(duì)流換熱系數(shù)為：

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。

利用CFD數(shù)值模擬的方法獲得了煙囪內(nèi)部水平方向的溫度分布及溫度場(chǎng)的變化情況，進(jìn)而得到近壁面處的溫度梯度以x=0處的空氣溫度近似替代玻璃蓋板的壁面溫度tg，以x=300處的空氣溫度近似替代集熱墻的壁面溫度tw，以各水平高度下截面空氣的平均溫度代替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6～7所示。

圖6 玻璃蓋板側(cè)局部對(duì)流換熱系數(shù)的變化

圖7 集熱墻側(cè)局部對(duì)流換熱系數(shù)的變化

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100～300mm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。高度為2m的煙囪，其對(duì)流換熱系數(shù)在豎直高度1600mm處開(kāi)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(kāi)始從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(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100～300mm的數(shù)值波動(dòng)比較大，但其原因在于此處的空氣流動(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(kāi)始沿著豎直高度的方向逐漸增加，但增加的幅度不明顯。

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(kāi)始增加，在豎直高度增加到3700mm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5.5~8.3W/(m2·K)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。

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Num e ric a l Sim ula tion of The rm a l Cha ra c te ris tic s of the Air in a Sola r Chim ne y

LIU Zhong-bao1,SU Ya-xin2,LIU Xiang-feng1
1 Shanghai Research Institute of Building Science(Group)Co.,Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

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 local 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 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 increased again with chimney height.

natural ventilation,solar chimney,numerical simulation,convective heat transfer coefficient

1003-0344（2014）04-017-4

2013-6-26

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）；021-64277511-116；E-mail:jkadlzb@163.com基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金（11ZR1401000）；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）