本文選題：城市熱環(huán)境 + CFD模擬設定�。� 參考：《西南交通大學》2013年博士論文

【摘要】：過去二十多年來,國內外大多數研究采用RANS兩方程湍流模型和LES模型來研究城市區(qū)域環(huán)境,由于城市區(qū)域環(huán)境的復雜性和較大的空間尺度,兩種計算方法需要特別大的計算機資源,因此如何能夠快速而又有效地預測非等溫城市區(qū)域環(huán)境成為本研究的主要目標。本文首先分析目前城市風熱環(huán)境的研究方法、城市環(huán)境CFD模擬技術、建筑外表面對流換熱系數以及城區(qū)區(qū)域污染物對流傳輸的影響等研究進展,提出了本文的主要研究內容：(a)提供優(yōu)化的零方程湍流模型(Zero-EQ),(b)研究不同街谷和建筑群分布的建筑外表面對流換熱系數分布,(c)證明優(yōu)化的零方程湍流模型以及壁面溫度和對流換熱系數組合的邊界條件能夠快速有效地預測城市熱環(huán)境,(d)研究城市區(qū)域環(huán)境污染物對流傳輸的影響。詳細的研究內容如下： 本研究通過研讀大量的參考文獻和歸納總結長期的CFD計算經驗,提出了城市區(qū)域環(huán)境CFD模擬設置常用的設定方法,包括湍流模型的選擇,數值誤差的確定,計算區(qū)域的設置,計算網格的劃定,以及計算邊界條件的設定等,建立了簡化的CFD模擬設定分類,提供給研究者一些理論和經驗的總結。 本研究選用風洞實驗對零方程湍流模型進行優(yōu)化,分析實驗數據,推導出優(yōu)化的湍流渦粘度表達式,應用新的優(yōu)化的湍流模型與風洞實驗數據進行驗證和分析。結果表明,在同等計算機配置下,Zero-EQ能夠比MMK湍流模型快60%以上,是LES計算所需時間的1/10,同時Zero-EQ能較準確地預測多棟建筑周圍流場的分布�？紤]到重復不同工況風洞實驗的局限性,本研究首先選擇RANS兩方程湍流模型來預測不同建筑群分布的流場分布,得到不同建筑群基于應變率和局部速度大小的渦粘度表達式(Zero-EQ2和Zero-EQ3)。利用上述風洞實驗的研究結果(Zero-EQ1),選用不同的建筑群分布,對比三種模型的模擬結果與MMK湍流模型預測數據的優(yōu)劣,得到Zero-EQ2和Zero-EQ3比Zero-EQ1更能夠快速有效地預測建筑群周圍流場分布的結論。 本研究利用CFD模擬計算的方法對不同城市街谷高寬比(H/W)和不同平面面積密度(λp)建筑群分布(并行式和交錯式)的室外表面對流換熱系數進行研究,推導出不同建筑分布狀況下的對流換熱系數表達式,和選用風洞實驗數據,和現場測試(賓夕法尼亞州立大學校園某學生公寓)數據,獲取足夠的計算邊界條件和驗證數據,減少計算區(qū)域網格,通過設置對流換熱系數和溫度邊界作為壁面計算條件,來間接驗證對流換熱系數的準確性；應用零方程湍流模型計算城市街谷的熱環(huán)境,得到與風洞實驗吻合較好的數據,比RANS兩方程湍流模型快一倍的速度,證明了其在工程應用領域的優(yōu)勢,同時指出零方程湍流模型對于浮力流動預測的局限性。另外,本研究中計算得到的對流換熱系數表達式能夠為今后繼續(xù)能耗模擬研究提供足夠的研究依據。 本研究利用以上研究成果：優(yōu)化的零方程湍流模型和建筑外表面的對流換熱系數,研究二維城市街谷和三維建筑群的熱環(huán)境對污染物濃度的影響。首先利用RNG湍流模型研究二維城市街谷的不同壁面受熱條件下自然對流環(huán)境、混合對流環(huán)境和強迫對流環(huán)境下的速度分布、溫度分布和污染物分布。由于零方程湍流模型不能較好地預測浮力流動,三維建筑群只選擇強迫對流為主的熱環(huán)境,選擇入口與壁面溫度差分別為ΔT=0℃和AT=10℃的兩種邊界條件,通過分析建筑群周圍污染物的分布,驗證了其快速預測污染物分布的準確性。最后本文選擇成都市蒲江縣壽安鎮(zhèn)的某一生態(tài)建設項目,根據當地氣象條件,通過研究壽安舊城區(qū)目前城市規(guī)劃情況下的夏季城市熱環(huán)境,分析不同區(qū)域的熱環(huán)境特點,提供給新城區(qū)規(guī)劃設計一些建議。EnergyPlus能耗計算最后應用于某一學生公寓建筑,來研究考慮周邊建筑環(huán)境對流換熱系數表達式的實用性。
[Abstract]:In the past two decades , most of the researches at home and abroad use RANS two - equation turbulence model and LES model to study the urban regional environment . Because of the complexity of urban regional environment and the large spatial scale , the main research contents of this paper are as follows : ( a ) the research methods of urban wind - thermal environment , the CFD simulation technology of urban environment , the surface - facing flow heat transfer coefficient of the building and the effect of convective heat transfer in urban area .

Through studying a large number of references and summing up the long - term CFD calculation experience , this paper presents a common setting method for the CFD simulation of urban area environment , including the selection of turbulence model , the determination of numerical error , the setting of calculation area , the delimitation of calculation grid , and the setting of calculation boundary conditions .

The results show that Zero - EQ is more than 60 % faster than MMK turbulence model , and it is used to predict the distribution of flow field around multiple buildings . The results show that Zero - EQ can predict the distribution of flow field around multiple buildings .

In this paper , the convective heat transfer coefficient of outdoor surfaces of different urban street heights ( H / W ) and different plane area densities ( 位p ) is studied by CFD simulation method . The expressions of convective heat transfer coefficient under different building distribution conditions are derived , and data of wind tunnel experiment data and field test ( a student apartment in Penn State University ) are selected to obtain enough computational boundary conditions and verification data , so as to reduce the grid of the calculation area , and the accuracy of the convective heat transfer coefficient is indirectly verified by setting the convection heat transfer coefficient and the temperature boundary as the wall surface calculation conditions ;
By using the zero equation turbulence model to calculate the thermal environment of the urban street valley , the data with good agreement with the wind tunnel experiment is obtained , which is twice as fast as the turbulence model of the RANS equation , which proves the advantages of the zero equation turbulence model for the prediction of buoyancy flow . In addition , the expression of the convection heat transfer coefficient calculated in this study can provide enough research basis for the future energy consumption simulation study .

In this paper , the effects of thermal environment on pollutant concentration in two - dimensional urban street and three - dimensional buildings are studied by using the above research results : optimized zero equation turbulence model and convection heat transfer coefficient of the outer surface of buildings .
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：X16;TU119.4

【參考文獻】

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1 劉輝志,梁彬,朱鳳榮,張伯寅,桑建國;二維街谷地面加熱引起的流場特征的水槽實驗研究(英)[J];Advances in Atmospheric Sciences;2003年04期

2 邢永杰,沈天行,劉芳;太陽輻射下不同地表覆蓋物的熱反應及對城市熱環(huán)境的影響[J];太陽能學報;2002年06期

3 陳宏;改善城市熱環(huán)境方法初探[J];武漢工業(yè)大學學報;2000年05期

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本文編號：2106836