太阳能与风能联合作用的多孔Trombe墙内热流传输性能和耦合机理研究

本项目针对太阳能与风能联合作用的新型多孔Trombe墙所蕴含的非线性和多物理场耦合的热物理问题，从理论分析、数值仿真与实验测试三个方面来研究其内部复杂的热流传输过程及其太阳能与风能耦合作用机理。通过理论分析与可视化观测，揭示太阳能形成的热压与风能形成的风压相互增益和削弱的规律及其物理机理，探究其在辐射、对流与导热复杂耦合作用下的热流传输规律和物理机理；基于观测、测试与机理认识，建立太阳能与风能耦合作用的多维度、多场耦合的多孔Trombe墙的数理模型，并利用模型，基于有限容积与热网络方法开展其稳态性能和瞬态响应特性的仿真研究，分析不同操作参数与结构参数对其内部温度场、速度场和压力场分布的影响；在实验方面，开展模型与全尺寸多孔Trombe 墙稳态性能和瞬态响应特性的实验测试，为进一步改进和完善数理模型积累相关实验数据。研究结果可以为实际Trombe墙的设计和优化提供理论基础及参考依据。

建筑能耗在社会总能耗中所占的比例日益增大，世界各国都在积极开发和利用可再生能源来实现建筑节能。Trombe墙就就是主要利用可再生能源实现建筑围护结构节能的有效途径，已成为节能建筑研究中的一个热点。国内外学者对Trombe墙的研究主要集中在热压方面的研究，往往忽略风能对其作用的影响。然而，对实际的Trombe 墙，不可避免地会受到风力的影响，两者相互作用规律对系统总体性能的影响至关重要。. 鉴于此，本项目开展了太阳能与风能联合作用的Trombe 内部复杂的热流传输过程及其太阳能与风能耦合作用机理的研究。主要内容包括：建立了太阳能与风能耦合作用的多维度Trombe 墙的数理模型，计算结果与实验数据进行了对比，获得能够准确捕捉风场影响的计算区域；开展了太阳能与风能耦合作用下的通风性能的研究，揭示风压和热压耦合作用的机理；获得了不同操作参数与结构参数下的内部温度场、速度场分布，深刻认识了其内部复杂的流动与传热基本规律。. 通过三年多的研究，完成了计划任务，目前已发表论文8篇，被SCI收录1篇次，EI收录3篇次；申请中国发明专利1项；获得湖北省科技进步一等奖1项；培养研究生已毕业2人，在读9人。主要的结果如下：（1）在迎风情况下，风压对热压作用起到抑制作用，并随风速增大其抑制作用增大；存在速度逆转过渡段，在热流密度为200W/m2 ≤ q ≤ 1200W/m2，发生逆转的速度段为1.6 m/s < v ≤2.2 m/s；速度超过该范围后，通风方向逆转，形成倒流；同时，我们获得了各段的风热压耦合作用的关联关系式（详见报告正文）。（2）在背风情况下，风压对热压的抑制随着室外风速的增大而趋于降低；通过详细的研究，我们获得了背风情况下风热压耦合作用的关联关系式（详见报告正文）。（3）提出了多孔Trombe墙，该结构有效利用了室外风，在风热压耦合作用下，通风性能大大提高；在风速为0 m/s < v ≤3.0 m/s范围，其通风量的增大幅度最高可达70%。（4）在该项目研究的基础上，提出一种风热压诱导式多通道通风隔热系统，有效利用太阳能和风能两种可再生能源实现建筑自然通风，并已申请中国发明专利。. 本项目研究结果可以为实际Trombe墙的设计和优化提供理论基础及参考依据，为建筑围护结构的节能做贡献。