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《湖南大学》 2003年
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高大空间多射流湍流场的大涡数值模拟研究

王汉青  
【摘要】: 室内气流流动状况,特别是高大空间的气流组织,是采暖、通风及空调工程中的一个重要问题。由于湍流流动复杂性,这一问题还无法从理论上求解,而基于模型试验所获得的简化公式其精度和适用范围都不很令人满意。计算流体力学(CFD)的发展为研究高大空间气流流动规律提供了有力手段。目前室内气流仿真主要采用湍流模式理论(RANS),但该方法求解的是时均场,体现不了湍流场瞬息万变的特点。特别是对于非等温流动,用RANS法预测高大空间气流组织误差较大。 大涡模拟(LES)作为一种新兴的湍流运动数值仿真工具,不但计算量小于直接模拟且很多情况下达到了很高的精度要求,同时还保持了流动的随机性特点,比RANS预测结果更加符合实际情况,所以正显现出巨大的优越性和强大的生命力。由于LES在室内气流仿真应用方面还处于起步阶段,因而许多基础性问题有待于进一步系统加以研究。 本文主要工作既创新点体现在以下几个方面: (1)系统分析了等温、非等温和考虑剪切力与浮升力综合作用的高大空间大涡模拟数学模型,并研究了高大空间大涡模拟在室内气流仿真应用中的一些基本问题,如边界条件、空间离散格式和时间推进格式、时间步长选择等问题,为大涡模拟在室内气流计算中的广泛应用打下了基础; (2)首次用大涡模拟方法研究了高雷诺数下高大空间多射流在等温、非等温情况下的瞬时流场和时均流场分布,并探讨了多射流流场的动态特性和流动规律; (3)基于大涡模拟的动态仿真结果和Fanger的热舒适指标,首次系统地提出了动态热舒适评价指标体系的概念:即基于时间平均参数的热舒适指标PD、PPD、PMV;基于瞬时参数的瞬时热指标IPD、IPPD、IPMV;基于时间平均热舒适指标TAPD、TAPPD、TAPMV;以及沿行动迹线的时间平均热舒适指标TTAPD、TTAPPD、TTAPMV,并分析了四类热舒适指标的差异性和计算方法,还以PD值为例对四类指标分别进行了计算; (4)基于数十种工况下空调房间大涡模拟的结果,研究了空调建筑上送上回和侧送侧回两种情况下热分层现象,并探讨了热分层的基本规律,首次提出了避免热分层现象的判断公式; (5)在暖通空调领域,首次使用IFA300热线风速仪、激光粒子速度场仪(PIV)等先进设备,完成了与大涡模拟相对应的模型试验,并把实测结果与仿真结果进 行了对比,说明LES在室内气流仿真方面是一种很有前景的方法。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TU831

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【引证文献】
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