太阳能锅炉自然通风模型的数值模拟研究

太阳能锅炉自然通风模型的数值模拟研究

太阳能空气流动特性的研究近年来，随着能源消耗和环境问题的提出，利用自然通风来改善环境和环境，越来越受到重视。利用自然通风，不仅可以满足房间的一定要求，还可以节约设备、运营和维护成本，创造可持续发展的绿色建筑环境。因此，许多欧洲和美国的建筑工程师对其进行了广泛的研究。建筑的一般意义上的自然通风是指通过特定的开口，在风压和热压的作用下产生空气流动。然而，由于室外空气密度的差异，以及内部空气密度的差异，太阳能屋顶效应，就是“屋顶效应”。利用太阳热增加顶层和室内空气温度的温差，增加浮力，提高室内通风量，减少室温。到目前为止，人们已经对太阳能烟台进行了一些研究，并在理论、实验、模拟和模拟方面取得了一些成果。然而，当前的研究主要集中在太阳辐射热的吸收和对称换热特性的研究上。然而，关于烟草本身的优化设计研究较少，很少有设计图纸和材料。因此，有必要对其进行详细的研究。本文件的研究内容是将热态自行空气输送至太阳能装置的空气通道。重点是比较和研究不同加热面、不同开口位置和开口度影响下的自然通风量，确定开口度、温差和开口面之间的定性和定量关系，以及不同结构体的最佳形状。确定设计方法的基础。1模型和求解方法1.1自然通风方式图1表示本文所研究的分析模型,其特点为:模型尺寸:L(长)×B(宽)×H(高),其中L=0.5～5.0m,B=0.1～0.5m,H=2.0～5.0m,B/H=0.05～0.25.侧面受到太阳照射,其表面温度TW为30～70℃出风口面积与进风口面积比Ar为0.6～0.8.为使用稳态模型,出风口距离烟囱上顶面尺寸取0.1H,使顶部形成较为稳定的气流根据受热侧面的位置及数量变化和出风口位置变化,可将其分为四种自然通风方式:(1)单个侧面受太阳辐射热,出风口开在受热面一侧的自然通风方式;(2)单个侧面受太阳辐射热,出风口开在非受热面一侧的自然通风方式;(3)两相邻侧面受太阳辐射热,出风口开在受热面一侧的自然通风方式;(4)两相邻侧面受太阳辐射热,出风口开在非受热面一侧的自然通风方式.则受热面和出风口位置的变化对应四种自然通风方式,对于每一种自然通风方式,依次研究受热面温度TW,烟囱高度H,长度L,宽度B,出风口与进风口面积之比Ar对通风量的影响,以便找到太阳能烟囱通风量的变化规律.1.2流体密度公式采用基于时均化法则基础上的零方程模型进行求解.因为零方程基于N-S方程,不需要求解偏微分方程,仅需要较小的计算机内存即可完成,并且具有较快的计算速度,实践表明,采用零方程模型可以实现大多数紊流流动的计算,并取得理想的结果.推导零方程模型控制方程时,应用的主要假设和简化有:(1)“烟囱”内的气流为低速流动,可视为不可压缩流体,并满足理想气体状态方程.(2)室内气体,属于牛顿流体,表面应力满足广义牛顿粘性应力公式为Pij=[−P+(μ′−23μ)∇⋅V¯¯¯]δij+2μγij(1)Ρij=[-Ρ+(μ′-23μ)∇⋅V¯]δij+2μγij(1)式中:μ′为第二粘性系数;γij=12(∂Vi∂xj+∂Vj∂xi).γij=12(∂Vi∂xj+∂Vj∂xi).(3)Boussingq假设:①认为流体密度的变化对惯性力项、压力项、粘性力项的影响可忽略不计;仅考虑密度的变化对质量力的影响,即仅在计算浮升力时考虑流体密度的变化.②密度差与温度差成正比.根据以上简化和假设,可得紊流时均流动方程组:∂Vi∂xi=0(2)∂ρVi∂t+∂ρiViVj∂xi=∂P∂xi+∂∂xj[μeff(∂Vi∂xj+∂Vj∂xi]+ρβ(T0−T)gi(3)∂ρT∂t+∂ρViT∂Xj=∂∂Xj[τT,eff∂T∂Xj]+qcp(4)∂Vi∂xi=0(2)∂ρVi∂t+∂ρiViVj∂xi=∂Ρ∂xi+∂∂xj[μeff(∂Vi∂xj+∂Vj∂xi]+ρβ(Τ0-Τ)gi(3)∂ρΤ∂t+∂ρViΤ∂Xj=∂∂Xj[τΤ,eff∂Τ∂Xj]+qcp(4)本文采用美国麻省理工学院的MITFLOW程序,求解模型中三维温度场和速度场分布.计算中假定进风口温度及流速,并检验出风口空气流量,使其与进风口空气流量达到平衡为止,计算误差小于1%.数值计算中对大量的工况进行了模拟计算,以期找到太阳能烟囱增强自然通风的最佳工况.2热压确定时,烟气高度变化时,热压随热高比b/h和加热面温度的变化时,烟气总通风量随高度和政府热压的变化,热压随热面温度的变化,是热面温度的变化,是热面温度的变化,是热面温度的变化,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现,是热面温度的出现在烟囱效应下,空气被抽升并排出,其通风量可表示为:G=353T0V0A0(5)G=353Τ0V0A0(5)其中G、T0、V0、A0分别表示通风量(kg/s),出风口排风温度(℃),出风口排风速度(m/s),出风口面积(m2).将数值模拟结果整理并代入上式,可得太阳能烟囱通风量G与烟囱高度H、烟囱宽高比B/H、出风口与进风口面积比Ar及烟囱表面温度TW的关系,如图2～5所示.图2为不同形式的烟囱通风量随烟囱高度的变化,图中显示变化分为两个过程:高度较小时,通风量随烟囱高度H增加而增大,而当高度增加到一定值时,通风量有所下降.这是因为当烟囱宽度确定时,随着烟囱高度的增加,引起空气流动的热压随之升高,增加烟囱高度对换热的影响主要表现在改变了过渡区特别是正在发展区的换热量.而当烟囱高度增加到一定值时,烟囱内的有限空间换热达到充分发展区,此时,再增加高度对换热影响不大,因此通风量有所下降.图3为改变烟囱宽高比时,通风量的变化规律.从图中可以看出,通风量随B/H的变化呈现先增后减的趋势,达到一定宽高比后,通风量几乎不再随宽高比变化.此时烟囱内的换热情况接近于自由空间.当宽高比B/H约为1/10时通风量达到最大值.Bouchair和S.Spencer等都曾对太阳能烟囱自然通风做了实验研究,S.Spencer的实验结果认为,太阳能烟囱自然通风确实存在着一个最佳值,且最佳宽度尺寸与烟囱高度,进、出风口的尺寸等有关,Bouchair的实验则表明当宽高比约在1/10时,通风量达到最大值,当超过优化尺寸宽度以后,由于烟囱出口中心处有回流使得通风量减小.图4为出风口面积与进风口面积比Ar变化时,通风量的变化规律.从中可以看出,当出风口面积与进风口面积比增加时,通风量随之增加.当出风口面积增加时,上浮的空气能及时排出,有利于通风,则通风量随之增加.从图5可以看出,不同烟囱形式通风量随着加热面温度变化分为两种情况:当出风口开在加热面上时,通风量随加热面温度的增加有较大增加,出风口开在非加热面时,通风量随加热面温度的升高增加不大.另外,从图中还可以看出,当加热面温度增加到一定值以后,加热面温度对通风量变化的影响逐渐减小;此时,随着温差增大,自然对流的抽吸驱动力增大,使得抽吸流率要增大.但是温差增大的同时,一方面使气体的粘性阻力增大,另一方面气体密度减小,体积膨胀,引起附加的热阻力,使得通风量随温差的变化减小.3行气的影响计算的所有工况中,通风量范围为0.0293kg/s～0.182kg/s,可以看出,烟囱内空气流速较小,通风量也较小,可以考虑适当采用风机或在烟囱下部设集热板以加大通风效果.由理论分析和数值模拟可知,烟囱通风量大小与烟囱的高度,宽度,进排风口面积及太阳辐射热等因素有关.且通风量达到最大值时,烟囱的宽高比约取1/10.通风量随着烟囱高度的增加而增加,但由于烟囱断面的