室内空气多态模拟及对流反演

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1、室内空气多态模拟及对流反演摘要基于建筑通风、室内气态污染物传播、建筑围护结构热湿传递、室内工作区空气环境控制、恐怖毒气和火灾监测等实际工程需要，本文从室内空气多态对流行为、室内空气对流反演、室内空气对流谐振、室内空气双扩散对流行为等方面开展相应的基础研究工作。首先，在相同物理边界和不同初始条件的约束下，室内将呈现多组不同的空气、热和污染物输运结构，即室内空气多态对流行为。在工程实践中，可以通过施加不同的初始条件实现人们所期望的空气流动和热质传递模式，如营造有利的工作区空气环境、抑制有害物扩散、以更小的风量获取更大的工作区空气置换能力等。本文采用CFD

2、数值模拟和PIV水洞模型实验等方法，探讨了双扩散自然对流、建筑通风等过程出现的室内空气多态对流行为，并完成了如下有特色的工作：数值探讨了离散热源及污染源联合驱动的室内空气双扩散自然对流过程及其多态行为，并详细模拟和分析了浮升力比、热质源间距和热源强度对室内空气双扩散对流过程及其多态行为的影响；模拟结果表明，采用不同的初始条件和控制参数，可以实现各类工程所需的室内空气、热与污染物的对流传输模式；数值模拟了具有三组通风口的真实建筑室内空气多态对流行为，分别探讨了入流风速、房间宽度和送风口离地高度对通风室内空气多态对流行为的影响；研究表明，室内通风多态行为

3、与具体建筑高宽比和送风口高度有关：并且以较少的送风量能获得更高的室内工作区空气置换量：采用PIV粒子图像测速系统非接触式地测量了真实建筑通风水洞实验模型室内流场，研究和验证了由送风速度变化所形成的通风室内空气多态对流行为。其次，通常的CFD数值模拟过程都是依据边界条件、初始条件等确定室内空气流场分布。然而，实际工程实践往往需要根据室内部分监测或给定温度(浓度)值反演确定热源或污染源，即室内空气对流反演。对流反演研究为打击恐怖毒气袭击、预防火灾、按人员需求设计室内空气环境等提供了直接的理论依据。本文从共轭梯度方法出发，分别开展了室内空气自然对流反演、各

4、向异性介质内空气自然对流反演和室内空气混合对流反演等多项创新研究工作，具体概述如下，提出了室内空气自然对流反演问题，统一描述和求解任意区域内自然对流正问题、灵敏度问题以及伴随问题，并分别探讨了未知边界热流分布特性、温度传感器位置和数量、测量误差等对室内空气自然对流反演精度和效率的影响；提出和研究各向异性介质内空气自然对流反演问题，分别探讨了室内固块导热系数、固块尺寸、传感器位置、未知热流分布特性和测量误差等对室内空气耦Ⅱ博士学位论文合对流反演精度和效率的影响；提出和研究受外部通风和室内热浮升力联合作用的室内空气混合对流反演问题，分别探讨了外部通风强度

5、、室内热源强度、热源分布特性等对室内混合对流空气和热输运过程的影响，并分析了流场控制参数、监测点位置和测量误差等因素对混合对流反演计算效率和精度的影响。再次，相对受迫对流过程而言，室内空气自然对流过程具有零能耗、零噪音等优势，但热质输运能力太弱。然而，当室内空气自然对流系统受热脉冲作用，并且脉冲频率与系统本征频率接近，自然对流过程将出现谐振传热行为，系统换热系数和能力被显著地激励。建筑、太阳能集热器、电子设备等经常受周期性热脉冲作用，通过改变相关设置(如家具、内饰、集热器倾斜角度、器件布置等)，营造或避免自然对流热谐振过程，为建筑隔热、太阳能采集、电

6、子设备自然冷却等提供更高效的工作模式。基于此，本文开展了如下有特色的研究工作，数值模拟和尺度解析了多组离散热源引起的室内空气自然对流谐振传热行为，并详细分析了室内空气流动及对流传热过程；数值模拟了室内空气耦合自然对流热谐振行为，分析了室内固体材料容积和导热性能对耦合自然对流谐振频率和生长过程的影响。最后，室内空气双扩散对流行为广泛发生在建筑墙体热湿传递、食品加工和谷物储藏、空气过滤净化等过程中。本文提出了局部热源污染源联合驱动的多孔介质内空气双扩散自然对流问题，并运用尺度分析和数值模拟方法分析了局部源位置和尺寸对热浮力驱动流、质浮力协同流、质浮力对抗

7、流等不同阶段的多孔介质内热质输运结构和性能的影响；研究结果为抑制建筑墙体热湿传递、优化设计空气过滤设备等提供了理论依据和指导。关键词：建筑通风；室内空气环境；多态行为；对流反演；热谐振；计算流体动力学；尺度分析；PIV实验Ⅲ室内空气多态模拟及对流反演AbstractSeveralfundamentalstudies，includingmultiplestableflows，inverseairconvection，resonantheattransferanddoublediffusiveconvectioninporousmediahavebeen

8、conductedinthisdissertation，tosatisfytherealisticrequi