自然通风与建筑蓄热耦合的传热机理及模拟方法研究项目摘要

建筑节能和改善室内空气品质是建筑可持续发展的两大主题。自然通风与建筑蓄热的耦合模拟研究，不仅是我国建筑可持续发展以及室内热舒适性评价中迫切需要解决的重要问题，也是国际上对流导热耦合研究领域的热点与难点。本项目以理论分析和数值模拟为主要手段，以自然通风与建筑蓄热的一体化研究为主题，致力于建立自然通风与建筑蓄热耦合分析的合理模型和求解算法，探索和揭示自然通风与建筑蓄热的耦合传热机理和室内温度的响应规律。本项目将重点发展三维自然风场及室内流场耦合的大规模精细化数值模拟技术，建立不同建筑蓄热体非稳态传热的模型和算法，开展自然通风与建筑蓄热一体化研究的建模、求解和分析，系统探讨近地表自然风的三维动态特性、室内外微环境变化规律及各种因素对室内温度的影响。研究结果可以为室内热舒适性评价、自然通风及建筑蓄热技术的应用以及推广被动式建筑等提供一定理论基础和依据。

建筑节能和改善室内空气品质是建筑可持续发展的两大主题。自然通风与建筑蓄热的耦合模拟研究，不仅是我国建筑可持续发展以及室内热舒适性评价中迫切需要解决的重要问题，也是国际上对流导热耦合研究领域的热点与难点。本项目以理论分析和数值模拟为主要手段，以自然通风与建筑蓄热的一体化研究为主题，致力于建立自然通风与建筑蓄热耦合分析的合理模型和求解算法，探索和揭示自然通风与建筑蓄热的耦合传热机理和室内温度的响应规律。 通过研究，发展了三维自然风场及室内流场耦合的大规模精细化数值模拟技术，建立不同建筑蓄热体非稳态传热的模型和算法，提出了一种基于超声回波法的测量建筑蓄热体内部温度场或建筑墙体表面等效热边界条件的探测方法，开展了自然通风与建筑蓄热一体化研究的建模、求解和分析，系统探讨了近地表自然风的三维动态特性、室内外微环境变化规律及各种因素对室内温度的影响。项目开发表相关学术论文12篇（其中SCI 2篇，EI 5篇），申请国家发明专利8项（6项排名第一，2项排名第二），实用新型专利授权1项（排名第一），培养风能与风工程专业硕士一名。相关成果作为“相变储能技术研究及其在建筑节能与飞行器热安全领域的应用”项目的一部分，获得2015年四川省科技进步一等奖1项（排名第六）。 研究结果可以为室内热舒适性评价、自然通风及建筑蓄热技术的应用以及推广被动式建筑等提供一定理论基础和依据。

自然通风能兼顾建筑节能与改善室内空气品质。建筑蓄热对自然通风与室内空气流动和热状况产生重要影响。本研究拟采用理论分析、数字模拟、CFD仿真与实验研究相结合的方法，探讨建筑蓄热与自然通风非线形耦合关系，揭示建筑蓄热对自然通风量和室内温度波动的影响规律。研究成果将为建筑材料的选取、混合通风系统的合理设计与控制策略的确定打下理论基础。 2100433B

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B