蒸发对大空间室内湿空气流场及温度场的影响分析开题报告

大空间一般指空间高大，内无隔板的空间。像工业厂房、大型写字楼、剧院、音乐厅、电影院等建筑都是大空间建筑。随着时代的发展，大空间建筑越来越普遍，这也产生了许多大空间相关的问题，推动了相关技术的发展。

首先是大空间的耗能问题：像办公楼，厂房，展厅等室内大空间，都需要保持适宜的空气温度和湿度，这就需要大功率空调等换热设备。据统计，我国建筑能耗约占全社会总能耗的30%，随着人民生活水平的不断提高、城市化进程的不断推进，这一比例还在持续增长，估计我国建筑行业能耗占社会总能耗比例将高达35%^[1]。

其次是大空间室内的空气流通问题：大空间室内密封性一般较好，以便减少对流散热，减小空调系统的负荷。但是这也使得室内空气品质（IAQ）下降和热负荷变差。空气龄作为评价空气新鲜程度和建筑换气能力的指标，有着广泛使用，空气龄越小，空气质量越高，长期处于空气质量高的室内的人也会更加舒适健康，甚至影响工作效率^[2]。如何让大空间室内在低能耗的条件下，能保持良好的空气流通，以及保证室内适宜的空气温湿度，是具有研究意义和实用意义的问题。

研究大空间内的空气流动和换热是个综合性的问题，首先设计室内合适的空气流通方式^[3]，选择适合的空调主机和辅助设备，保证平均温湿度，以及温度梯度合适；还应该评价整体设备的功耗，使之更加经济绿色；对具体用途的大空间还要有具体的要求。例如：装有精密器械的厂房，为保证设备的稳定运行，要求稳定的空气温湿度和温室梯度^[3]；空间相对封闭的室内音乐厅，为了保证演出人员及观众的舒适度，需要良好的散热和空气流动^[4]；具有地方特色的木制房屋，为了保证其寿命，需要考虑其通风处的冷凝情况，防止常年积水腐蚀其木质结构^[5]。

在过去研究室内通风和换热问题，一般都是使用实验模拟结合现场测量的方法。虽然实验法测得的数据直接可靠，但是却耗资大周期长，随着环境条件的波动，比如天气极端导致的大温差大湿度差，或者测试手段的限制，导致测量数据一定的误差，都可能会影响最后的结果。随着现代计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）正在渐趋成熟并且在多个行业得到应用。

计算流体力学（ComputationalFluid Dynamics），是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。CFD技术从上世纪六七十年代开始出现至今，已经历了初始阶段，工业应用阶段和快速发展阶段。初始阶段主要是研究基础的理论问题，比如建立模型（湍流，紊流，传热，辐射等）方程、优化数值处理方法、优化网格划分方法、编写程序以实现计算机计算等问题。工业应用阶段主要是结合在各行业的实际探索应用，来完善此方法和相关原理，从而得到工业界的认可和更加广泛的应用。A.J.Baker和J.W.Kim将有限元分析应用于计算流体动力学（CFD），并提出了一种，建立离散近似数值求解成分的算法的正式程序^[6]。他们还开发并分析了一种高效、准确的有限元算法的构造方法，用于预测空气动力学影响中的粘性和湍流场，提出了一种满足有效收敛到稳态的隐式构造^[7]。随着计算机图形学和计算机微机技术的快速发展，计算流体力学进入快速发展阶段，CFD技术在许多行业都得以应用。如今CFD技术在热能动力、航空航天、环境化工、土木水利、机械等工程领域得到广泛应用，近些年更是在暖通空调领域得到大量应用。

2009年，何延治等人利用CFD技术对深圳世界大学生运动会体育馆的比赛大厅气流组织进行模拟计算，从几种空调方案中选出了满足各比赛要求的最佳方案 ^[8]。2017年，刘沛等人参与设计以园林为主题的中国园林博物馆，其馆内空调既要能在高大空间和较小空间送出适宜的气流，给参观者舒适的体验，还要保证局部植物的小气候适宜（某些植物需要生长于合适的温湿度条件下）。他们利用CFD技术寻求空调的选配和布置方案，最终得出了满足条件且经济性好的方案^[9]。2017年，曾源等人参与改造设计杭州国际博览中心暖通空调系统，以满足G20峰会使用要求。他们利用CFD模拟技术辅助设计，尽量利用了原有的冷热源系统和设备，优化并提升了空调通风和水系统的使用功能，达到了高标准、高安全性、保障性及舒适性的要求，同时也节省了改造费用^[10]。

脱离实际工程，目前国内外学者还利用CFD技术寻求更好的送风方式，追求更加舒适和更加节能。比如设计分层空调，既满足高大空间有合理的气流组织与热舒适性，而且对降低初投资、节省运行费用、建筑节能有重大意义^[11];又或者研究大空间内的送风方式，对比不同送风方式的优劣，以便在实际应用里提供参考^[12~13]。除此之外，目前的研究大多是结合实际情况对系统进行优化。例如考虑室内的人员变动（内热源变动），设计出补偿策略^[14]；考虑室内环境的不均匀性，设计更加节能的方案^[15]；又或者结合实际情况研究更加优化的计算方法和建模方法，以便得到更贴近实际的结果，使得整个系统更加完善、节能、智能^[16~17]。

现实中的大空间内除了内热源和一些固体障碍物外，还可能有液体水，比如鱼缸、水桶等，它们对室内的空气温湿度有一定的影响。本文主要利用CFD技术模拟蒸发对大空间室内湿空气流场及温度场的影响，建立大空间室内湿空气流动换热的数学物理模型，并应用COMSOL Multiphysics软件实现对该过程的数值模拟，通过计算结果来看水的蒸发对流动换热过程的影响程度。

2．1研究内容

本文主要研究大空间室内的传热换热问题，着重研究蒸发对换热的影响以及影响在湿空气流场和温度场上的反映，从而学习及深化相关理论知识，学会有关软件的运用。对大空间换热模型进行建模分析，得出结果并分析实际意义。

2．2研究目标

通过对大空间室内湿空气流动换热进行建模仿真研究，学习及深化相关的理论知识，熟悉运用COMSOLMultiphysics流体计算软件。对是否考虑蒸发两种情况进行仿真计算，得出数值结果以及状态参数图并进行分析，对比得出蒸发对大空间室内湿空气流场与温度场的影响结果。联系实际分析模型的优缺点，以及结果在现实应用中的意义。

2．3技术方案及措施

（1）搜集和阅读相关文献，了解大空间的含义和其实际应用，把握模拟研究大空间湿空气流场和温湿场的实际意义，并了解相关技术在国内外的研究现状，对研究对象有清晰的认识，对研究目的有明确的认知。

（2）学习COMSOLMultiphysics流体计算软件的运用，然后建立模型，计算并分析结果。首先正确得出理论分析的结果，再联系实际分析模型的可行性和理论结果的可适用性。

（3）在完成模型建模、计算和结果分析的同时，也要知道其工作原理和背后的模型方程、数据处理方法等。结合本科学习的流体力学等课程，深化理解理论知识，学习理论知识解决实际问题的应用方法。

（1）英文文献翻译，完成开题报告和文献综述； （第1-3周）

（2）大空间室内湿空气流场及温度场的数学物理模型建立；（第4-5周）

（3）应用COMSOL Multiphysics软件实现对大空间室内湿空气流动换热过程的数值模拟，并分析分析水的蒸发对湿空气流动换热过程的影响规律；（第6-9周）

（4）撰写毕业设计论文； （第10-11周）

（5）论文初稿交指导教师审阅，修改定稿，装订成册； （第12-13周）

（6）论文交评阅教师审阅； （第14周）

（7）论文整理并答辩。 （第15周）

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