太阳能烟囱内部气流换热特性的数值模拟

柳仲宝 苏亚欣 刘向锋

1上海市建筑科学研究院（集团）有限公司

2东华大学环境科学与工程学院

太阳能烟囱内部气流换热特性的数值模拟

柳仲宝1苏亚欣2刘向锋1

1上海市建筑科学研究院（集团）有限公司

2东华大学环境科学与工程学院

太阳能烟囱是一种利用热压强化自然通风的有效方法。采用FLUENT模拟软件对不同高度的太阳能烟囱进行了数值模拟，分析了烟囱内部空气的温度场、速度场以及局部对流换热系数的变化情况，结果表明在集热墙与玻璃盖板的近壁面处，边界层内温度梯度与速度梯度较大。局部对流换热系数在烟囱进风口上端一定范围内的数值波动较大，并随着竖直高度的增加而逐渐降低，直至流动状态发生变化后随着竖直高度的增加而升高。

自然通风太阳能烟囱数值模拟对流换热系数

太阳能烟囱是一种利用热压强化自然通风的有效方法。近年来研究人员对不同形式的太阳能烟囱自然通风的热性能进行了实验测试、理论模型以及数值模拟的研究[1～5]。在前人建立的理论模型中，普遍采用经验公式来计算太阳能烟囱内空气的局部对流换热系数，进而求得烟囱的通风量。然而空气在太阳能烟囱通道内受热流动的过程中，由于速度的变化必然会引起玻璃和墙体表面的局部对流换热系数发生变化，这必然会引起换热过程的计算误差从而影响通风量计算的准确性，因此深入探讨烟囱内部的局部流换热系数对研究太阳能烟囱的通风性能具有重要意义。

1 模型

1.1 物理模型

太阳能烟囱主要由玻璃盖板、集热墙以及空气通道所构成，如图1所示。烟囱的空气通道的宽度为0.3m，下部空气入口的高度为0.3m，烟囱的高度在2～4m之间变化。室外太阳辐射通过透明玻璃盖板进入烟囱通道后被集热墙的蓄热材料吸收，从而加热通道内的空气，使之产生内外密度差形成向上运动的自然对流，从烟囱顶端流出至室外。室内空气则通过集热墙下部的入口流入空气通道，从而使室内的空气形成自然通风，达到通风换气的目的。

图1 太阳能烟囱物理模型示意图

1.2 数学模型

研究证明，烟囱内部的空气流动呈现不同的流动状态[6]。集热墙仅对其附近的空气具有明显的加热效果，这使得烟囱入口处以及远离集热墙处的流动处于低湍流状态，而在烟囱中上部某些位置的空气由于墙壁表面的摩擦增加了流体黏性阻力，使得空气流动状态可能出现层流状，因此选择Realizable k-ε湍流模型作为计算模型。

壁面的边界条件主要由热流密度条件给出：假设太阳能烟囱中玻璃盖板的透射率为0.84，吸收率为0.06，集热墙的吸收率为0.95，太阳辐射强度为400W/m2，则玻璃盖板表面对应的热流密度为24W/m2，集热墙表面对应的热流密度为319.2W/m2。

2 数值模拟结果与分析

2.1 烟囱内部空气温度与速度的变化

烟囱内部空气沿着烟囱竖直方向的平均温度与平均速度的数值模拟结果如图2～3所示。

图2 空气沿竖直方向的平均温度

从图2中可以看出，从烟囱进风口上端的水平高度起，烟囱内部空气沿着竖直方向的温度逐渐升高，但是在竖直方向800mm附近时，温度出现一个极大值，随后空气温度有所下降，下降趋于平缓，当竖直方向上的水平高度超过1000mm以后，空气温度再次增加，并沿着竖直方向逐渐升高。但是在烟囱出口端处温度略有下降的趋势，其可能的原因在于出口端处集热墙以辐射的方式向环境释放部分热量，以及环境空气温度较烟囱内部空气温度低所致。从图3中可以看出，随着距离烟囱进气口处高度的增加，烟囱内空气的平均流速迅速增加，在竖直方向的水平标高为800mm附近时，平均速度出现了一个最大值，随后平均速度开始下降，但下降的趋势与从烟囱进口到速度增大到峰值时相比减小很多，空气的平均速度变化趋于线性。其原因在于“烟囱效应”使得进风口处产生负压，空气迅速以水平方向流入烟囱内部，在热压产生的浮升力作用下，空气开始沿着竖直方向运动。在进风口上端的集热墙侧出现涡流，使得空气的流动状态紊乱，空气的平均流速较大；但随着高度增加，涡街逐渐消失，空气的流动逐渐平稳，受到流动方向阻力的影响，空气的平均流速开始下降。

图3 空气沿竖直方向的平均速度

烟囱内部空气沿烟囱深度方向的速度与温度变化的数值模拟结果如图4，图5所示。

图4 空气沿烟囱深度方向的温度变化

图5 空气沿烟囱深度方向的速度变化

如图4所示，烟囱内部的空气沿着烟囱深度方向（水平方向），温度分布并不是均匀一致的，在集热墙与玻璃盖板的近壁面处，温度较高。对于高度为2m的烟囱，空气在距离玻璃盖板0～20mm范围处，温度急剧下降，然后趋于平缓，并向集热墙侧逐渐升高。在距离集热墙热壁面0～20mm的范围内，温度骤然上升，其上升的幅度超过玻璃盖板侧的空气温度下降的幅度。从图5可以看出，烟囱内部空气的速度分布沿着烟囱深度方向也不是均匀一致的，空气在距离玻璃盖板0～20mm的范围处，速度急剧上升，在达到峰值之后沿着深度方向逐渐降低，在距离集热墙壁面0～20mm处，空气速度突然下降。这是由于集热墙与玻璃盖板壁面附近的空气被加热，温度升高，密度减小，从而引起密度差形成浮升力，使得空气沿着壁面向上运动，并在热壁面的近壁面处形成了极薄的温度边界层和速度边界层。由于边界层很薄，且边界层中速度改变量极大，故在边界层内温度梯度很大，温度从壁温急剧减小到边界层边沿处的主流温度，在边界层外，主流温度沿着烟囱宽度的变化不大，趋于均匀一致。

2.2 局部对流换热系数的求解与分析

室内空气由于太阳能烟囱热压的作用被“吸”入烟囱内部后，由于黏性的作用，近热壁面处的空气流速逐渐降低，在贴壁处被滞止，处于无滑移状态，热量将只能以导热的方式通过这一极薄的贴壁流体层，所以由傅里叶导热定律可得

另一方面，qx为对流换热量，也可以用牛顿冷却公式来表达，并假设近壁面处的局部对流换热系数为hx，则

由式（1）和式（2）整理可得局部对流换热系数为：

上述各式中x分别用为w、g进行替换，代表集热墙与玻璃盖板，f为空气平均值。

利用CFD数值模拟的方法获得了烟囱内部水平方向的温度分布及温度场的变化情况，进而得到近壁面处的温度梯度以x=0处的空气温度近似替代玻璃盖板的壁面温度tg，以x=300处的空气温度近似替代集热墙的壁面温度tw，以各水平高度下截面空气的平均温度代替tf，故由式（3）计算可得烟囱内部局部对流换热系数沿烟囱竖直方向的变化趋势图，如图6～7所示。

图6 玻璃盖板侧局部对流换热系数的变化

图7 集热墙侧局部对流换热系数的变化

从图6中可以看到，玻璃盖板侧的局部对流换热系数在烟囱进风口上端100～300mm内数值波动比较大，并沿着烟囱的竖直方向逐渐降低。其主要原因在于烟囱的进风口处负压较大，使得流入烟囱内部的空气流动混乱，空气流速较大，故自然对流换热系数比较大。然而随着竖直高度的增加，空气流动逐渐平稳，玻璃盖板侧近壁面边界层内的空气流动为层流，边界层厚增加使得对流换热系数逐渐降低。高度为2m的烟囱，其对流换热系数在竖直高度1600mm处开始停止下降，此后略有上升，但是变化不明显；高度为3m的烟囱，其玻璃盖板侧的对流换热系数在竖直高度为2200mm处以后逐渐升高；高度为4m的烟囱，其玻璃盖板侧对流换热系数在竖直高度为2700mm处逐渐升高。局部对流换热系数逐渐升高的主要原因在于此时边界层内空气的流动已经开始从层流状态转变为过渡流状态。但是从对流换热系数增加的幅度来看，并没有进入严格意义上的湍流状态。

从图7中可以看出，集热墙侧的对流换热系数均大于玻璃盖板侧的对流换热系数。在进风口上端100～300mm的数值波动比较大，但其原因在于此处的空气流动出现涡流而导致对流的换热系数较大。随着竖直高度的增加，空气流动逐渐平稳，集热墙侧的局部对流换热系数也逐渐降低，其表面边界层内的空气流动也为层流状态。对于高度为2m的烟囱，其局部对流换热系数在竖直高度为1100mm后停止下降，开始沿着竖直高度的方向逐渐增加，但增加的幅度不明显。

对于高度为3m的烟囱，其局部对流换热系数在竖直高度为2000mm处停止下降，而后沿着竖直高度的方向逐渐增加，增幅明显，说明此时边界层内的空气流动为过渡流状态。高度为4m的烟囱在高竖直度为2700mm处，局部对流换热系数开始增加，在竖直高度增加到3700mm后局部对流换热系数达到一个极大值后略有下降，但下降幅度非常小，说明此时边界层内的空气流动为湍流流动。

3 结论

本文采用CFD数值模拟的方法研究了不同高度的太阳能烟囱内部空气的温度、速度、对流换热系数的变化情况。研究表明烟囱内部的空气沿着烟囱深度方向，温度与速度的分布并不是均匀一致的，在集热墙与玻璃盖板的近壁面处，边界层内温度梯度与速度梯度较大，高度为3m烟囱其边界层厚度约为30mm，高度为4m的烟囱其边界层厚度约为40mm。局部对流换热系数在烟囱进风口上端一定范围内数值波动比较大，随后随着竖直高度的增加而逐渐降低，直至流动状态发生变化后随着竖直高度的增加而升高。集热墙侧的局部对流换热系数在5.5~8.3W/(m2·K)之间变化，玻璃盖板侧的局部对流换热系数则在0.4~ 1.56W/(m2·K)之间变化。

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Num e ric a l Sim ula tion of The rm a l Cha ra c te ris tic s of the Air in a Sola r Chim ne y

LIU Zhong-bao1,SU Ya-xin2,LIU Xiang-feng1
1 Shanghai Research Institute of Building Science(Group)Co.,Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

Solar chimney is an effective technology to enhance the natural ventilation by heating the air.Solar chimneys with different height were numerically simulated and the temperature distribution,flow field and the local convective heat transfer coefficient of the air were calculated and analyzed.The results showed that the temperature gradient and velocity gradient in the boundary layer near the wall region of the glass cover and absorber wall were relatively large. Within a certain range of the chimney above the inlet,the local convective heat transfer coefficient was higher and gradually decreased with the vertical height of the chimney.When the chimney height increased to a critical value,the air flow began to change from laminar to turbulent flow and the local convective heat transfer coefficient increased again with chimney height.

natural ventilation,solar chimney,numerical simulation,convective heat transfer coefficient

1003-0344（2014）04-017-4

2013-6-26

柳仲宝（1986～），男，硕士，工程师；上海市建筑科学研究院（集团）有限公司（200032）；021-64277511-116；E-mail:jkadlzb@163.com基金项目：上海市自然科学基金（11ZR1401000）；上海市建筑科学研究院（集团）有限公司科研创新项目（HT0212051G000）