太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)：數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與數(shù)值模擬分析一、引言1.1研究背景與意義1.1.1背景在全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的當(dāng)下，能源消耗與日俱增，能源危機(jī)已成為世界各國面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，建筑行業(yè)能耗在全球總能耗中占比頗高，高達(dá)30%-40%，且這一比例仍有上升趨勢(shì)。與此同時(shí)，因大量使用化石能源，環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，如溫室氣體排放導(dǎo)致全球氣候變暖，極端天氣頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅人類的生存與發(fā)展。在此背景下，建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展成為全球關(guān)注焦點(diǎn)，探尋高效、清潔的建筑能源利用方式迫在眉睫。自然通風(fēng)作為一種傳統(tǒng)且有效的建筑通風(fēng)方式，具有節(jié)能、環(huán)保、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在建筑節(jié)能領(lǐng)域備受青睞。通過合理設(shè)計(jì)建筑的布局、開口位置和尺寸，可利用自然風(fēng)壓和熱壓實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣的自然交換，降低機(jī)械通風(fēng)能耗，為室內(nèi)提供新鮮空氣，改善室內(nèi)熱環(huán)境。但自然通風(fēng)也存在一些局限性，如通風(fēng)量和通風(fēng)效果易受室外氣象條件（如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等）影響，在某些情況下難以滿足室內(nèi)通風(fēng)需求。為克服自然通風(fēng)的不足，太陽能煙囪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。太陽能煙囪最早由法國太陽能實(shí)驗(yàn)室主任FelixTrombe教授在1967年提出，它巧妙地將太陽能利用與煙囪效應(yīng)相結(jié)合，利用太陽能加熱煙囪內(nèi)空氣，使其密度減小，形成熱壓，從而強(qiáng)化自然通風(fēng)效果。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，儲(chǔ)量豐富且分布廣泛，為太陽能煙囪技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近年來，隨著太陽能技術(shù)和建筑設(shè)計(jì)理念的不斷進(jìn)步，太陽能煙囪在建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，其結(jié)構(gòu)形式和性能也在不斷優(yōu)化和提升。1.1.2意義太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)技術(shù)在建筑領(lǐng)域具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：建筑節(jié)能：在建筑能耗中，通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)能耗占比較大。太陽能煙囪利用太陽能驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)，可減少機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的使用時(shí)間和運(yùn)行能耗，降低建筑對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。據(jù)相關(guān)研究表明，在合適的條件下，采用太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的建筑，其通風(fēng)能耗可降低30%-50%，節(jié)能效果顯著。改善室內(nèi)環(huán)境：良好的室內(nèi)通風(fēng)是保證室內(nèi)空氣質(zhì)量和熱舒適性的關(guān)鍵。太陽能煙囪能有效增加室內(nèi)通風(fēng)量，及時(shí)排出室內(nèi)的污濁空氣、異味和濕氣，引入室外新鮮空氣，降低室內(nèi)污染物濃度，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，減少疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)，為人們提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。在夏季，還可利用太陽能煙囪的通風(fēng)散熱作用，降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)使用時(shí)間，提高室內(nèi)熱舒適性。降低建筑運(yùn)營成本：減少機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的使用，不僅降低了能源消耗，還減少了設(shè)備的維護(hù)、維修和更換成本。同時(shí)，太陽能作為免費(fèi)的清潔能源，使用太陽能煙囪無需支付能源費(fèi)用，可顯著降低建筑的運(yùn)營成本，提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益。促進(jìn)建筑可持續(xù)發(fā)展：太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展理念，其應(yīng)用有助于減少建筑對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，推動(dòng)建筑行業(yè)向綠色、低碳方向發(fā)展。在全球積極應(yīng)對(duì)氣候變化、大力推廣綠色建筑的背景下，研究和應(yīng)用太陽能煙囪技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)進(jìn)行深入研究，能為該技術(shù)在建筑中的科學(xué)合理應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，推動(dòng)其在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)于緩解能源危機(jī)、改善環(huán)境質(zhì)量、提高建筑品質(zhì)和實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展具有重要價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究國外對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究起步較早，在理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方面均取得了豐碩成果。在理論研究方面，早期學(xué)者主要基于熱壓通風(fēng)理論對(duì)太陽能煙囪的工作原理進(jìn)行分析。1978年，德國學(xué)者JorgSchlaich提出了太陽能煙囪發(fā)電的概念，并對(duì)其進(jìn)行了初步的理論計(jì)算，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。隨著研究的深入，學(xué)者們開始考慮更多因素對(duì)太陽能煙囪性能的影響，如太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、煙囪高度和直徑等。2002年，印度學(xué)者R.K.Srivastava等人通過理論分析，建立了太陽能煙囪自然通風(fēng)的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了煙囪內(nèi)空氣的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射換熱過程，以及空氣的粘性和可壓縮性等因素，對(duì)太陽能煙囪的性能預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)研究是驗(yàn)證理論模型和評(píng)估太陽能煙囪性能的重要手段。1981年，西班牙建成了世界上第一座太陽能煙囪發(fā)電實(shí)驗(yàn)電站，該電站煙囪高200m，集熱棚直徑250m，通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性和能量轉(zhuǎn)換效率。此后，各國學(xué)者紛紛開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。2006年，澳大利亞學(xué)者G.Z.Yang等人在實(shí)驗(yàn)室搭建了小型太陽能煙囪實(shí)驗(yàn)裝置，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如煙囪高度、直徑和集熱板傾角）對(duì)太陽能煙囪通風(fēng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加煙囪高度和直徑可以提高通風(fēng)量，但當(dāng)煙囪高度超過一定值時(shí)，通風(fēng)量的增加幅度逐漸減??；集熱板傾角存在一個(gè)最佳值，使得太陽能煙囪的通風(fēng)性能最佳。數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為太陽能煙囪的研究提供了新的手段。通過數(shù)值模擬，可以深入研究太陽能煙囪內(nèi)部的流場和溫度場分布，以及各種因素對(duì)其性能的影響機(jī)制。20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件的不斷完善，越來越多的學(xué)者采用CFD方法對(duì)太陽能煙囪進(jìn)行數(shù)值模擬研究。2004年，美國學(xué)者J.R.Howell等人利用Fluent軟件對(duì)太陽能煙囪進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究了太陽輻射強(qiáng)度、煙囪高度和直徑等因素對(duì)煙囪內(nèi)空氣流動(dòng)和溫度分布的影響。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性。此后，學(xué)者們不斷改進(jìn)數(shù)值模擬方法，提高模擬精度，如考慮太陽能煙囪內(nèi)的湍流效應(yīng)、輻射換熱和多相流等復(fù)雜物理過程。除了上述研究，國外學(xué)者還對(duì)太陽能煙囪的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛探索。太陽能煙囪不僅應(yīng)用于建筑通風(fēng)領(lǐng)域，還在太陽能發(fā)電、海水淡化、農(nóng)業(yè)溫室通風(fēng)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在太陽能發(fā)電方面，除了傳統(tǒng)的太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)，一些新型的太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，如與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的混合發(fā)電系統(tǒng)、利用太陽能煙囪預(yù)熱空氣的燃煤發(fā)電系統(tǒng)等；在海水淡化方面，將太陽能煙囪與蒸餾法海水淡化技術(shù)相結(jié)合，利用太陽能煙囪產(chǎn)生的熱壓驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)海水淡化；在農(nóng)業(yè)溫室通風(fēng)方面，太陽能煙囪可有效改善溫室內(nèi)部的通風(fēng)條件，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度和濕度，促進(jìn)農(nóng)作物生長。1.2.2國內(nèi)研究國內(nèi)對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速，在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用等方面都取得了顯著進(jìn)展。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實(shí)際情況，對(duì)太陽能煙囪的工作原理和性能進(jìn)行了深入研究。2003年，清華大學(xué)的李先庭等人對(duì)太陽能煙囪自然通風(fēng)的熱壓計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了考慮空氣溫度沿?zé)焽韪叨茸兓臒釅河?jì)算模型，該模型更符合實(shí)際情況，提高了熱壓計(jì)算的準(zhǔn)確性。2008年，重慶大學(xué)的劉猛等人通過理論分析，建立了太陽能煙囪與建筑一體化的自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了建筑內(nèi)部的熱環(huán)境、通風(fēng)路徑和太陽能煙囪的性能參數(shù)等因素，為太陽能煙囪在建筑中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究方面，國內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作。2006年，天津大學(xué)的趙加寧等人搭建了太陽能煙囪自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同工況下太陽能煙囪的通風(fēng)性能和熱工性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能煙囪的通風(fēng)量與太陽輻射強(qiáng)度、煙囪高度和進(jìn)出口面積等因素密切相關(guān)，太陽輻射強(qiáng)度越大、煙囪高度越高、進(jìn)出口面積越大，通風(fēng)量越大。2010年，西安建筑科技大學(xué)的李安桂等人通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽能煙囪在不同季節(jié)和不同氣象條件下的通風(fēng)效果，以及對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能煙囪在夏季可有效降低室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境；在冬季可引入室外新鮮空氣，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)學(xué)者也取得了一系列成果。利用CFD軟件對(duì)太陽能煙囪進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部的流場和溫度場分布，以及各種因素對(duì)其性能的影響，已成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。2009年，中南大學(xué)的雷先鵬等人利用Fluent軟件對(duì)傾斜式太陽能煙囪進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了集熱板傾角、煙囪高度和進(jìn)出口面積等參數(shù)對(duì)太陽能煙囪通風(fēng)性能的影響。模擬結(jié)果表明，集熱板傾角對(duì)太陽能煙囪的通風(fēng)性能影響較大，存在一個(gè)最佳傾角，使得通風(fēng)量最大。2012年，上海理工大學(xué)的丁國良等人采用CFD方法對(duì)太陽能煙囪與地源熱泵耦合系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了該系統(tǒng)的運(yùn)行特性和節(jié)能效果。模擬結(jié)果表明，該耦合系統(tǒng)可有效提高地源熱泵的性能，降低系統(tǒng)能耗。在工程應(yīng)用方面，隨著我國對(duì)建筑節(jié)能和綠色建筑的重視程度不斷提高，太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)技術(shù)在建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。一些新建建筑和既有建筑改造項(xiàng)目中，都采用了太陽能煙囪技術(shù)來改善室內(nèi)通風(fēng)條件，降低建筑能耗。例如，2015年建成的上海建科中心大樓，采用了太陽能煙囪與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)，通過太陽能煙囪的自然通風(fēng)作用，可滿足大樓部分通風(fēng)需求，有效降低了機(jī)械通風(fēng)能耗；2018年完成改造的北京某老舊小區(qū)，在建筑屋頂增設(shè)了太陽能煙囪，改善了室內(nèi)通風(fēng)狀況，提高了居民的居住舒適度。此外，國內(nèi)還開展了太陽能煙囪在工業(yè)廠房、農(nóng)業(yè)溫室等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，取得了一定的應(yīng)用效果。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1目標(biāo)本研究旨在深入探究太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的原理與性能，通過建立精確的數(shù)學(xué)模型和高效的數(shù)值模擬方法，揭示太陽能煙囪內(nèi)部的復(fù)雜物理過程，分析各因素對(duì)自然通風(fēng)效果的影響機(jī)制，為太陽能煙囪在建筑中的優(yōu)化設(shè)計(jì)和廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)與技術(shù)支持。具體而言，主要目標(biāo)包括：建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型：綜合考慮太陽能煙囪內(nèi)空氣的流動(dòng)特性、傳熱傳質(zhì)過程以及與建筑結(jié)構(gòu)的相互作用，建立能夠準(zhǔn)確描述太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)涵蓋太陽輻射、空氣密度變化、熱壓驅(qū)動(dòng)、粘性阻力等關(guān)鍵因素，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能煙囪性能的精確預(yù)測(cè)。優(yōu)化數(shù)值模擬方法：基于所建立的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)和數(shù)值算法，對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，優(yōu)化數(shù)值模擬方法和參數(shù)設(shè)置，提高模擬的準(zhǔn)確性和效率，為太陽能煙囪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的數(shù)值工具。為太陽能煙囪設(shè)計(jì)提供依據(jù)：通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如煙囪高度、直徑、集熱板面積和傾角等）和運(yùn)行條件（如太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等）對(duì)自然通風(fēng)效果的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出太陽能煙囪的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和方法，為實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)太陽能煙囪在建筑中的高效節(jié)能運(yùn)行。1.3.2內(nèi)容圍繞上述研究目標(biāo)，本研究將從以下幾個(gè)方面展開：太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)原理分析：深入研究太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的基本原理，包括熱壓通風(fēng)理論、太陽輻射吸收與轉(zhuǎn)化、空氣的熱脹冷縮效應(yīng)以及煙囪效應(yīng)的作用機(jī)制等。分析太陽能煙囪內(nèi)部空氣流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)過程，明確影響自然通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素，為后續(xù)的數(shù)學(xué)模型建立和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)。太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型建立：根據(jù)熱壓通風(fēng)理論和傳熱傳質(zhì)基本方程，結(jié)合太陽能煙囪的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件，建立考慮多種因素的太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型。模型中應(yīng)包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及輻射傳熱方程等，同時(shí)考慮空氣的粘性、可壓縮性和湍流特性。對(duì)模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理的簡化和假設(shè)，確保模型的準(zhǔn)確性和可解性。太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)值模擬方法：選擇合適的CFD軟件平臺(tái)（如Fluent、CFX等），對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值離散和求解。確定數(shù)值模擬的邊界條件和初始條件，包括進(jìn)出口邊界條件、壁面邊界條件、太陽輻射邊界條件等。選擇合適的湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型等）和輻射模型（如DO模型、P1模型等），以準(zhǔn)確模擬太陽能煙囪內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)和傳熱過程。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比分析，確保模擬結(jié)果的可靠性。太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)模擬結(jié)果分析與驗(yàn)證：對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究太陽能煙囪內(nèi)部的流場和溫度場分布規(guī)律，以及各因素對(duì)自然通風(fēng)量、通風(fēng)效率和室內(nèi)熱環(huán)境的影響。通過與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或已有研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。分析模擬結(jié)果與實(shí)際情況之間的差異，找出可能存在的問題和不足，為模型的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。太陽能煙囪在建筑中的應(yīng)用案例分析：選取實(shí)際建筑項(xiàng)目中應(yīng)用太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的案例，對(duì)其設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行效果和節(jié)能效益進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估太陽能煙囪在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題。針對(duì)存在的問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議，為太陽能煙囪在建筑中的推廣應(yīng)用提供參考。1.4研究方法與技術(shù)路線1.4.1研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛搜集和梳理國內(nèi)外關(guān)于太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、專利文獻(xiàn)等。通過對(duì)這些文獻(xiàn)的深入分析，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問題，為后續(xù)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。例如，對(duì)國外早期提出的太陽能煙囪發(fā)電概念相關(guān)文獻(xiàn)的研究，有助于明確太陽能煙囪技術(shù)的起源和發(fā)展脈絡(luò)；對(duì)國內(nèi)學(xué)者在太陽能煙囪與建筑一體化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型研究方面的文獻(xiàn)分析，能夠借鑒其研究方法和成果，避免重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究的不足，為自己的研究找到切入點(diǎn)。理論分析法：基于熱壓通風(fēng)理論、傳熱傳質(zhì)學(xué)原理以及流體力學(xué)等基礎(chǔ)理論，對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的原理進(jìn)行深入剖析。從理論層面推導(dǎo)和分析太陽能煙囪內(nèi)部空氣的流動(dòng)特性、傳熱傳質(zhì)過程以及各種因素對(duì)自然通風(fēng)效果的影響機(jī)制。通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)太陽能煙囪的性能進(jìn)行量化分析和預(yù)測(cè)。例如，運(yùn)用熱壓通風(fēng)理論，推導(dǎo)出太陽能煙囪內(nèi)空氣的熱壓計(jì)算公式，結(jié)合傳熱傳質(zhì)學(xué)原理，分析空氣在煙囪內(nèi)的熱量傳遞和質(zhì)量交換過程，從而為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬法：借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件平臺(tái)，如Fluent、CFX等，對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)太陽能煙囪內(nèi)部的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值離散和求解。通過設(shè)置合理的邊界條件和初始條件，模擬不同工況下太陽能煙囪的運(yùn)行情況。利用數(shù)值模擬結(jié)果，深入研究太陽能煙囪內(nèi)部的物理現(xiàn)象，分析各種因素對(duì)自然通風(fēng)效果的影響規(guī)律。例如，通過數(shù)值模擬可以直觀地觀察到太陽能煙囪內(nèi)空氣的流動(dòng)軌跡、速度分布和溫度分布情況，以及不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件下自然通風(fēng)量的變化，為太陽能煙囪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。案例分析法：選取實(shí)際建筑項(xiàng)目中應(yīng)用太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的典型案例，對(duì)其設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行效果和節(jié)能效益進(jìn)行詳細(xì)分析。通過實(shí)地調(diào)研、數(shù)據(jù)采集和分析，了解太陽能煙囪在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)和存在的問題。結(jié)合理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)案例進(jìn)行深入剖析，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和不足之處，為太陽能煙囪在建筑中的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐參考。例如，對(duì)上海建科中心大樓采用太陽能煙囪與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)的案例分析，通過實(shí)地測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，評(píng)估該系統(tǒng)的節(jié)能效果和室內(nèi)通風(fēng)改善情況，為其他建筑項(xiàng)目提供借鑒。1.4.2技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線如圖1所示，具體步驟如下：理論研究：通過文獻(xiàn)研究，廣泛收集國內(nèi)外關(guān)于太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的相關(guān)資料，深入學(xué)習(xí)熱壓通風(fēng)理論、傳熱傳質(zhì)學(xué)原理以及流體力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的原理進(jìn)行深入分析，明確影響自然通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素，為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。模型建立：依據(jù)理論研究成果，結(jié)合太陽能煙囪的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件，建立考慮多種因素的太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及輻射傳熱方程等，同時(shí)考慮空氣的粘性、可壓縮性和湍流特性。對(duì)模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理的簡化和假設(shè)，確保模型的準(zhǔn)確性和可解性。模擬分析：選擇合適的CFD軟件平臺(tái)，對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值離散和求解。確定數(shù)值模擬的邊界條件和初始條件，包括進(jìn)出口邊界條件、壁面邊界條件、太陽輻射邊界條件等。選擇合適的湍流模型和輻射模型，以準(zhǔn)確模擬太陽能煙囪內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)和傳熱過程。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究太陽能煙囪內(nèi)部的流場和溫度場分布規(guī)律，以及各因素對(duì)自然通風(fēng)量、通風(fēng)效率和室內(nèi)熱環(huán)境的影響。結(jié)果驗(yàn)證：將數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或已有研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。分析模擬結(jié)果與實(shí)際情況之間的差異，找出可能存在的問題和不足，為模型的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。應(yīng)用研究：選取實(shí)際建筑項(xiàng)目中應(yīng)用太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的案例，對(duì)其設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行效果和節(jié)能效益進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估太陽能煙囪在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題。針對(duì)存在的問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議，為太陽能煙囪在建筑中的推廣應(yīng)用提供參考?？偨Y(jié)與展望：對(duì)整個(gè)研究過程和結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納，提煉研究成果的核心內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。分析研究過程中存在的不足之處，提出未來研究的方向和重點(diǎn)，為太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。[此處插入技術(shù)路線圖，圖中應(yīng)清晰展示各步驟之間的邏輯關(guān)系和流程走向，從理論研究開始，依次經(jīng)過模型建立、模擬分析、結(jié)果驗(yàn)證、應(yīng)用研究，最后到總結(jié)與展望，每個(gè)步驟之間用箭頭連接，并標(biāo)注簡要的說明文字]二、太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)原理2.1自然通風(fēng)基本原理自然通風(fēng)作為一種依靠自然力量實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換的通風(fēng)方式，在建筑通風(fēng)領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。它主要借助風(fēng)壓和熱壓這兩種自然驅(qū)動(dòng)力，使空氣在建筑空間內(nèi)流動(dòng)，從而達(dá)到通風(fēng)換氣、調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境的目的。風(fēng)壓通風(fēng)基于風(fēng)對(duì)建筑表面的作用，形成迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力差，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)；熱壓通風(fēng)則源于室內(nèi)外空氣的溫度差，引發(fā)空氣密度變化，進(jìn)而產(chǎn)生熱壓，促使空氣運(yùn)動(dòng)。這兩種通風(fēng)方式在實(shí)際建筑中往往相互交織、共同作用，為室內(nèi)提供新鮮空氣，排出污濁空氣，有效降低室內(nèi)溫度，提升室內(nèi)環(huán)境的舒適度和空氣質(zhì)量。對(duì)自然通風(fēng)基本原理的深入理解，是研究太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)技術(shù)的基石，有助于更好地把握太陽能煙囪的工作機(jī)制和性能優(yōu)化方向。2.1.1熱壓通風(fēng)原理熱壓通風(fēng)的形成源于室內(nèi)外空氣存在的溫度差，進(jìn)而導(dǎo)致空氣密度出現(xiàn)差異。在地球重力場的作用下，這種密度差促使空氣產(chǎn)生流動(dòng)，形成熱壓通風(fēng)。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外時(shí)，室內(nèi)空氣受熱膨脹，密度減小，相對(duì)較輕；而室外冷空氣密度較大，相對(duì)較重。根據(jù)阿基米德原理，較輕的熱空氣會(huì)在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，從建筑物的上部開口排出；較重的冷空氣則會(huì)從建筑物的下部開口流入室內(nèi)，以補(bǔ)充上升的熱空氣留下的空間。這樣，在室內(nèi)外之間就形成了持續(xù)的空氣循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了熱壓通風(fēng)。從物理學(xué)角度來看，熱壓通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力可用公式（1）表示：\DeltaP=\rho_{out}gh-\rho_{in}gh=gh(\rho_{out}-\rho_{in})（1）其中，\DeltaP為熱壓（Pa），\rho_{out}為室外空氣密度（kg/m^3），\rho_{in}為室內(nèi)空氣密度（kg/m^3），g為重力加速度（m/s^2），h為室內(nèi)外空氣進(jìn)出口的高差（m）。由公式（1）可知，熱壓的大小與室內(nèi)外空氣密度差以及空氣進(jìn)出口的高差成正比。室內(nèi)外溫差越大，空氣密度差就越大，熱壓也就越大；同時(shí)，進(jìn)出口高差越大，熱壓也會(huì)相應(yīng)增大。例如，在一棟多層建筑中，頂層與底層之間存在較大的高差。在夏季，室內(nèi)空調(diào)開啟，室內(nèi)溫度較低，而室外溫度較高。此時(shí)，室內(nèi)外空氣形成較大的溫度差，熱壓作用明顯。室外熱空氣從底層的門窗等開口進(jìn)入室內(nèi)，在室內(nèi)上升過程中吸收熱量，溫度升高，密度減小，最終從頂層的窗戶或通風(fēng)口排出室外，實(shí)現(xiàn)了熱壓通風(fēng)，有效降低了室內(nèi)溫度，改善了室內(nèi)熱環(huán)境。2.1.2風(fēng)壓通風(fēng)原理風(fēng)壓通風(fēng)的原理基于空氣動(dòng)力學(xué)，當(dāng)自然風(fēng)遇到建筑物時(shí)，會(huì)在建筑物表面產(chǎn)生復(fù)雜的氣流變化。在迎風(fēng)面，氣流受阻，速度降低，根據(jù)伯努利原理，流速減小會(huì)導(dǎo)致壓力升高，從而形成正壓區(qū)；而在背風(fēng)面，氣流繞過建筑物后形成局部低壓區(qū)，即負(fù)壓區(qū)。這種迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓力差，為空氣的流動(dòng)提供了驅(qū)動(dòng)力，促使空氣從迎風(fēng)面的開口進(jìn)入室內(nèi)，然后從背風(fēng)面的開口排出室外，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)的驅(qū)動(dòng)力可用公式（2）表示：\DeltaP_w=C_p\frac{1}{2}\rhoV^2（2）其中，\DeltaP_w為風(fēng)壓（Pa），C_p為壓力系數(shù)，與建筑物的形狀、朝向以及風(fēng)的入射角等因素有關(guān)，一般通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬確定；\rho為空氣密度（kg/m^3），V為風(fēng)速（m/s）。從公式（2）可以看出，風(fēng)壓的大小與風(fēng)速的平方成正比，與空氣密度成正比，同時(shí)還與壓力系數(shù)密切相關(guān)。風(fēng)速越大，風(fēng)壓就越大，通風(fēng)效果也就越明顯；空氣密度則受環(huán)境溫度和海拔等因素影響，在一定程度上也會(huì)影響風(fēng)壓大小。建筑物的形狀和朝向?qū)毫ο禂?shù)有著顯著影響，例如，矩形建筑的迎風(fēng)面壓力系數(shù)較大，背風(fēng)面壓力系數(shù)較小，壓力差相對(duì)較大，通風(fēng)效果較好；而圓形建筑由于其表面氣流較為均勻，壓力差相對(duì)較小，通風(fēng)效果相對(duì)較弱。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中，合理選擇建筑物的形狀和朝向，能夠有效利用風(fēng)壓通風(fēng)，提高通風(fēng)效率，降低建筑能耗。例如，在沿海地區(qū)，風(fēng)速較大，可將建筑物的主要開口朝向主導(dǎo)風(fēng)向，充分利用風(fēng)壓通風(fēng)，為室內(nèi)提供充足的新鮮空氣。2.2太陽能煙囪工作原理2.2.1結(jié)構(gòu)組成太陽能煙囪主要由集熱部分、煙囪主體和通風(fēng)口三大部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化自然通風(fēng)的功能。集熱部分是太陽能煙囪的關(guān)鍵組成部分，通常由透明蓋板、吸熱板和隔熱層構(gòu)成。透明蓋板多采用透明玻璃或透明塑料材料，具有良好的透光性能，能夠最大限度地讓太陽輻射透過，進(jìn)入集熱空間。例如，在一些太陽能煙囪應(yīng)用中，選用低鐵超白玻璃作為透明蓋板，其透光率可達(dá)91.5%以上，有效提高了太陽輻射的利用率。吸熱板則位于透明蓋板下方，一般采用深色金屬材料（如鋁板、銅板等）或涂有高吸收率涂層的材料制成，目的是高效吸收透過透明蓋板的太陽輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給空氣。例如，表面涂有黑色選擇性吸收涂層的鋁板，對(duì)太陽輻射的吸收率可高達(dá)95%以上。隔熱層設(shè)置在吸熱板背面，采用隔熱性能良好的材料（如聚苯乙烯泡沫板、巖棉等），減少熱量向周圍環(huán)境的散失，提高集熱效率。煙囪主體是引導(dǎo)熱空氣上升的通道，通常為垂直或傾斜的筒狀結(jié)構(gòu)，由磚石、混凝土、金屬等材料制成。煙囪的高度和直徑是影響其通風(fēng)性能的重要參數(shù)，一般來說，煙囪越高，熱空氣上升所產(chǎn)生的熱壓越大，通風(fēng)效果越好；直徑越大，空氣流通阻力越小，可允許更大的通風(fēng)量。例如，在一些大型工業(yè)廠房應(yīng)用的太陽能煙囪中，煙囪高度可達(dá)20-30米，直徑為1-2米，以滿足廠房較大的通風(fēng)需求。煙囪內(nèi)部表面應(yīng)盡量光滑，以減少空氣流動(dòng)的摩擦阻力，提高通風(fēng)效率。通風(fēng)口包括進(jìn)氣口和出氣口，進(jìn)氣口通常設(shè)置在集熱部分的底部或側(cè)面，用于引入室外新鮮冷空氣；出氣口則位于煙囪的頂部，用于排出被加熱后的熱空氣。進(jìn)氣口和出氣口的大小、位置和數(shù)量會(huì)影響太陽能煙囪的通風(fēng)效果。合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣口和出氣口的面積比，可使空氣流動(dòng)更加順暢，提高通風(fēng)效率。例如，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)氣口與出氣口面積比在0.8-1.2之間時(shí)，太陽能煙囪的通風(fēng)性能較為理想。此外，在進(jìn)氣口和出氣口處可設(shè)置調(diào)節(jié)裝置（如百葉窗、風(fēng)門等），以便根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)通風(fēng)量。2.2.2強(qiáng)化通風(fēng)機(jī)制太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的機(jī)制主要基于熱壓驅(qū)動(dòng)和煙囪效應(yīng)。當(dāng)太陽輻射照射到太陽能煙囪的集熱部分時(shí)，透明蓋板允許太陽輻射透過，被吸熱板吸收。吸熱板將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使集熱空間內(nèi)的空氣溫度升高。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT（其中P為壓強(qiáng)，V為體積，n為物質(zhì)的量，R為摩爾氣體常數(shù)，T為溫度），在體積不變的情況下，溫度升高會(huì)導(dǎo)致空氣分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，空氣膨脹，密度減小。此時(shí)，集熱空間內(nèi)的空氣密度小于室外冷空氣密度，在重力場作用下，產(chǎn)生密度差，從而形成熱壓。熱壓的大小可根據(jù)公式（3）計(jì)算：\DeltaP_{thermal}=gh(\rho_{out}-\rho_{in})（3）其中，\DeltaP_{thermal}為熱壓（Pa），g為重力加速度（m/s^2），h為集熱空間內(nèi)空氣與室外空氣的高差（m），\rho_{out}為室外空氣密度（kg/m^3），\rho_{in}為集熱空間內(nèi)空氣密度（kg/m^3）。熱壓的存在使得集熱空間內(nèi)的熱空氣在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，通過煙囪主體排出室外。隨著熱空氣的排出，集熱空間內(nèi)形成負(fù)壓，室外新鮮冷空氣在大氣壓力作用下從進(jìn)氣口流入集熱空間，補(bǔ)充被排出的熱空氣，從而形成持續(xù)的空氣循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的強(qiáng)化。同時(shí)，煙囪效應(yīng)也在太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)過程中發(fā)揮重要作用。煙囪效應(yīng)是指由于煙囪內(nèi)外空氣溫度差引起的空氣向上流動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)熱空氣在煙囪內(nèi)上升時(shí)，會(huì)帶動(dòng)周圍空氣一起向上運(yùn)動(dòng)，形成一股抽吸作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了空氣的流動(dòng)速度和通風(fēng)量。煙囪效應(yīng)的強(qiáng)弱與煙囪高度、煙囪內(nèi)外空氣溫度差以及煙囪的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。煙囪越高，煙囪內(nèi)外空氣溫度差越大，煙囪效應(yīng)越明顯，抽吸作用越強(qiáng)，通風(fēng)效果也就越好。在實(shí)際運(yùn)行中，太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的效果還受到太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等外界因素的影響。太陽輻射強(qiáng)度越大，集熱部分吸收的熱量越多，空氣升溫越快，熱壓和煙囪效應(yīng)越強(qiáng)，通風(fēng)量越大；環(huán)境溫度越低，集熱空間內(nèi)與室外的空氣密度差越大，熱壓也越大，有利于通風(fēng)；風(fēng)速的大小和方向會(huì)影響進(jìn)氣口和出氣口的壓力分布，適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速可以增強(qiáng)風(fēng)壓通風(fēng)的作用，與熱壓通風(fēng)相互配合，進(jìn)一步提高通風(fēng)效果。但當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，可能會(huì)對(duì)煙囪內(nèi)的氣流產(chǎn)生干擾，降低通風(fēng)效率。二、太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)原理2.3影響太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的因素2.3.1太陽輻射強(qiáng)度太陽輻射強(qiáng)度是影響太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素之一，對(duì)煙囪內(nèi)空氣的加熱效果以及通風(fēng)量和通風(fēng)效率有著顯著影響。當(dāng)太陽輻射照射到太陽能煙囪的集熱部分時(shí)，透明蓋板允許太陽輻射透過，被吸熱板吸收。吸熱板將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而傳遞給集熱空間內(nèi)的空氣，使空氣溫度升高。太陽輻射強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)集熱部分吸收的太陽輻射能就越多，空氣升溫也就越快。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明，在其他條件不變的情況下，通風(fēng)量與太陽輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度從200W/m2增加到800W/m2時(shí)，太陽能煙囪的通風(fēng)量從0.5m3/s增加到1.5m3/s，通風(fēng)量隨著太陽輻射強(qiáng)度的增大而顯著增加。這是因?yàn)樘栞椛鋸?qiáng)度的增加，使得集熱空間內(nèi)空氣獲得更多的熱量，空氣密度減小得更為明顯，與室外冷空氣之間的密度差增大，從而產(chǎn)生更大的熱壓。根據(jù)熱壓計(jì)算公式\DeltaP_{thermal}=gh(\rho_{out}-\rho_{in})（其中\(zhòng)DeltaP_{thermal}為熱壓，g為重力加速度，h為集熱空間內(nèi)空氣與室外空氣的高差，\rho_{out}為室外空氣密度，\rho_{in}為集熱空間內(nèi)空氣密度），熱壓的增大將驅(qū)動(dòng)更多的空氣流動(dòng)，從而提高通風(fēng)量。通風(fēng)效率也會(huì)隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化而改變。通風(fēng)效率通常定義為通風(fēng)量與消耗能量（這里主要是太陽輻射能）的比值。在太陽輻射強(qiáng)度較低時(shí)，雖然集熱部分能夠吸收一定的太陽輻射能來加熱空氣，但由于能量輸入有限，通風(fēng)量相對(duì)較小，此時(shí)通風(fēng)效率可能較低。隨著太陽輻射強(qiáng)度的逐漸增加，通風(fēng)量迅速增大，而系統(tǒng)消耗的能量（主要取決于太陽輻射強(qiáng)度）的增加幅度相對(duì)較小，因此通風(fēng)效率會(huì)逐漸提高。但當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度超過一定值后，由于煙囪的結(jié)構(gòu)和通風(fēng)阻力等因素的限制，通風(fēng)量的增加速度會(huì)逐漸減緩，而能量輸入仍在持續(xù)增加，這可能導(dǎo)致通風(fēng)效率不再提高，甚至出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。太陽輻射強(qiáng)度的變化還會(huì)對(duì)太陽能煙囪內(nèi)的溫度分布產(chǎn)生影響。在太陽輻射強(qiáng)度較高的時(shí)段，集熱空間內(nèi)靠近吸熱板的空氣溫度會(huì)迅速升高，形成較大的溫度梯度，使得空氣的對(duì)流換熱更加劇烈。而在太陽輻射強(qiáng)度較低時(shí)，空氣溫度升高緩慢，溫度梯度較小，對(duì)流換熱相對(duì)較弱。這種溫度分布的變化會(huì)進(jìn)一步影響空氣的流動(dòng)特性和通風(fēng)效果。在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮太陽輻射強(qiáng)度的日變化和季節(jié)變化，合理設(shè)計(jì)太陽能煙囪的集熱面積和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保在不同太陽輻射強(qiáng)度條件下都能獲得較好的通風(fēng)效果。2.3.2煙囪高度與直徑煙囪高度和直徑是太陽能煙囪設(shè)計(jì)中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)熱壓大小、空氣流速和通風(fēng)阻力有著顯著影響，進(jìn)而在很大程度上決定了太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的效果。從熱壓的角度來看，煙囪高度對(duì)熱壓大小起著關(guān)鍵作用。根據(jù)熱壓計(jì)算公式\DeltaP_{thermal}=gh(\rho_{out}-\rho_{in})（其中\(zhòng)DeltaP_{thermal}為熱壓，g為重力加速度，h為煙囪高度，\rho_{out}為室外空氣密度，\rho_{in}為煙囪內(nèi)空氣密度），在室內(nèi)外空氣密度差一定的情況下，煙囪高度h越高，熱壓\DeltaP_{thermal}就越大。這是因?yàn)闊焽韪叨鹊脑黾?，使得煙囪?nèi)熱空氣與室外冷空氣之間的高差增大，在重力作用下，熱空氣上升的驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)。例如，在一個(gè)實(shí)際案例中，當(dāng)煙囪高度從10m增加到20m時(shí)，熱壓增大了一倍，通風(fēng)量也相應(yīng)增加。研究表明，增加煙囪高度可以有效地提高自然通風(fēng)的動(dòng)力，促進(jìn)空氣的流動(dòng)，從而增強(qiáng)通風(fēng)效果。煙囪直徑對(duì)空氣流速和通風(fēng)阻力也有著重要影響。當(dāng)煙囪直徑增大時(shí)，空氣流通的截面積增大，在相同的通風(fēng)量下，空氣流速會(huì)降低。根據(jù)流體力學(xué)原理，空氣流速與通風(fēng)阻力之間存在著密切關(guān)系，通風(fēng)阻力一般與空氣流速的平方成正比（\DeltaP_{resistance}\proptoV^2，其中\(zhòng)DeltaP_{resistance}為通風(fēng)阻力，V為空氣流速）。因此，降低空氣流速可以減小通風(fēng)阻力，使空氣在煙囪內(nèi)流動(dòng)更加順暢。例如，當(dāng)煙囪直徑從1m增大到1.5m時(shí)，在通風(fēng)量不變的情況下，空氣流速降低，通風(fēng)阻力減小，有利于提高通風(fēng)效率。然而，增大煙囪直徑也并非無限制的，因?yàn)檫^大的直徑會(huì)增加建筑成本和占地面積，同時(shí)可能會(huì)影響煙囪的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮通風(fēng)需求、成本、空間等因素，選擇合適的煙囪直徑。煙囪高度和直徑之間還存在著一定的相互關(guān)系。在一定的通風(fēng)要求下，增加煙囪高度可以在較小的直徑下實(shí)現(xiàn)所需的通風(fēng)量，但過高的煙囪可能會(huì)帶來結(jié)構(gòu)安全和成本等問題；而增大煙囪直徑則可以在較低的高度下滿足通風(fēng)需求，但會(huì)增加占地面積和建設(shè)成本。因此，在設(shè)計(jì)太陽能煙囪時(shí)，需要對(duì)煙囪高度和直徑進(jìn)行優(yōu)化匹配，以達(dá)到最佳的通風(fēng)效果和經(jīng)濟(jì)效益。例如，通過數(shù)值模擬研究不同高度和直徑組合下太陽能煙囪的通風(fēng)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙囪高度與直徑的比值在一定范圍內(nèi)時(shí)，通風(fēng)效果最佳。對(duì)于一些小型建筑，可能更適合采用相對(duì)較矮但直徑較大的煙囪；而對(duì)于大型工業(yè)廠房等對(duì)通風(fēng)量要求較高的建筑，則可能需要采用較高且直徑適中的煙囪。2.3.3室內(nèi)外溫差室內(nèi)外溫差是影響太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)效果的重要因素之一，與通風(fēng)效果密切相關(guān)，對(duì)通風(fēng)動(dòng)力和通風(fēng)量有著顯著影響。室內(nèi)外溫差是形成熱壓通風(fēng)的根本原因。根據(jù)熱壓通風(fēng)原理，當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外時(shí)，室內(nèi)空氣受熱膨脹，密度減小，相對(duì)較輕；室外冷空氣密度較大，相對(duì)較重。在地球重力場的作用下，較輕的熱空氣會(huì)在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，從建筑物的上部開口（如太陽能煙囪頂部）排出；較重的冷空氣則會(huì)從建筑物的下部開口流入室內(nèi)，以補(bǔ)充上升的熱空氣留下的空間，從而形成持續(xù)的空氣循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。室內(nèi)外溫差越大，空氣密度差就越大，根據(jù)熱壓計(jì)算公式\DeltaP=gh(\rho_{out}-\rho_{in})（其中\(zhòng)DeltaP為熱壓，g為重力加速度，h為室內(nèi)外空氣進(jìn)出口的高差，\rho_{out}為室外空氣密度，\rho_{in}為室內(nèi)空氣密度），熱壓也就越大，通風(fēng)動(dòng)力越強(qiáng)。例如，在夏季白天，室內(nèi)空調(diào)開啟，室內(nèi)溫度較低，而室外溫度較高，室內(nèi)外溫差較大，此時(shí)太陽能煙囪內(nèi)的熱壓較大，通風(fēng)效果明顯，能夠有效地將室內(nèi)的熱空氣排出，引入室外的新鮮冷空氣，降低室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境。室內(nèi)外溫差對(duì)通風(fēng)量有著直接影響。在其他條件不變的情況下，通風(fēng)量與室內(nèi)外溫差呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)室內(nèi)外溫差增大時(shí)，熱壓增大，更多的空氣被驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，通風(fēng)量隨之增加。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)外溫差從5℃增加到10℃時(shí)，太陽能煙囪的通風(fēng)量增加了約30%。這是因?yàn)闊釅旱脑龃笫沟每諝饬鲃?dòng)的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，能夠克服更大的通風(fēng)阻力，從而使更多的空氣通過太陽能煙囪進(jìn)行交換。相反，當(dāng)室內(nèi)外溫差較小時(shí)，熱壓較小，通風(fēng)量也會(huì)相應(yīng)減少。在一些氣候溫和的地區(qū)，室內(nèi)外溫差較小，太陽能煙囪的通風(fēng)效果可能會(huì)受到一定限制。室內(nèi)外溫差的變化還會(huì)影響太陽能煙囪的運(yùn)行效率。當(dāng)室內(nèi)外溫差較大時(shí)，太陽能煙囪能夠更有效地利用自然能源實(shí)現(xiàn)通風(fēng)，減少對(duì)機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的依賴，從而降低能耗，提高能源利用效率。而當(dāng)室內(nèi)外溫差較小時(shí)，為了滿足室內(nèi)通風(fēng)需求，可能需要輔助機(jī)械通風(fēng)設(shè)備，這將增加能耗和運(yùn)行成本。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和建筑的使用特點(diǎn)，合理利用室內(nèi)外溫差，優(yōu)化太陽能煙囪的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，以提高通風(fēng)效果和能源利用效率。例如，在設(shè)計(jì)太陽能煙囪時(shí)，可以考慮采用蓄熱材料等措施，在白天太陽輻射較強(qiáng)、室內(nèi)外溫差較大時(shí)儲(chǔ)存熱量，在夜間或室內(nèi)外溫差較小時(shí)釋放熱量，維持一定的室內(nèi)外溫差，保證太陽能煙囪的持續(xù)通風(fēng)效果。2.3.4建筑結(jié)構(gòu)與布局建筑結(jié)構(gòu)和布局對(duì)自然通風(fēng)路徑和阻力有著重要影響，進(jìn)而對(duì)太陽能煙囪通風(fēng)效果產(chǎn)生間接作用，是影響太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素之一。建筑結(jié)構(gòu)中的墻體、門窗、隔斷等部件的位置和尺寸，以及建筑的平面形狀和空間布局，都會(huì)影響自然通風(fēng)的路徑。例如，合理設(shè)置門窗的位置和大小，可以引導(dǎo)室外空氣順暢地進(jìn)入室內(nèi)，并通過太陽能煙囪排出，形成良好的通風(fēng)路徑。如果門窗位置不合理，可能會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)短路或通風(fēng)死角，使部分室內(nèi)空間無法得到有效的通風(fēng)換氣。在一些傳統(tǒng)民居中，采用穿堂風(fēng)的設(shè)計(jì)理念，通過合理布置前后門窗，使自然風(fēng)能夠直接穿過建筑，與太陽能煙囪相結(jié)合，大大增強(qiáng)了通風(fēng)效果。此外，建筑內(nèi)部的隔斷和家具布置也會(huì)對(duì)通風(fēng)路徑產(chǎn)生影響。過多或不合理的隔斷會(huì)阻礙空氣流動(dòng)，增加通風(fēng)阻力；而合理的隔斷設(shè)計(jì)可以引導(dǎo)空氣流動(dòng)，優(yōu)化通風(fēng)路徑。在開放式的辦公空間中，合理設(shè)置隔斷可以將辦公區(qū)域劃分成不同的功能區(qū)，同時(shí)又不影響自然通風(fēng)的效果，使空氣能夠在各個(gè)區(qū)域之間順暢流通。建筑結(jié)構(gòu)和布局還會(huì)影響自然通風(fēng)的阻力。通風(fēng)阻力主要包括空氣在建筑內(nèi)部流動(dòng)時(shí)與墻體、門窗、隔斷等部件的摩擦阻力，以及空氣在轉(zhuǎn)彎、收縮、擴(kuò)張等部位產(chǎn)生的局部阻力。建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通風(fēng)路徑曲折會(huì)增加通風(fēng)阻力，降低通風(fēng)效果。例如，在一些建筑中，由于內(nèi)部空間布局不合理，通風(fēng)路徑存在多個(gè)急轉(zhuǎn)彎和狹窄通道，導(dǎo)致空氣流動(dòng)受阻，通風(fēng)阻力增大，太陽能煙囪的通風(fēng)效果受到嚴(yán)重影響。相反，簡潔、流暢的建筑結(jié)構(gòu)和布局可以減少通風(fēng)阻力，使空氣能夠更順暢地流動(dòng)。在一些現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，采用大空間、開放式的布局，減少內(nèi)部隔斷和障礙物，為自然通風(fēng)創(chuàng)造了良好的條件，與太陽能煙囪配合，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的自然通風(fēng)。建筑結(jié)構(gòu)和布局對(duì)太陽能煙囪通風(fēng)效果的間接作用還體現(xiàn)在對(duì)室內(nèi)熱源分布和溫度場的影響上。不同的建筑結(jié)構(gòu)和布局會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)熱源（如人員、設(shè)備、照明等）的分布不同，進(jìn)而影響室內(nèi)溫度場的分布。室內(nèi)溫度場的不均勻性會(huì)影響熱壓通風(fēng)的效果。例如，在一些工業(yè)廠房中，如果設(shè)備集中布置在某一區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高，形成局部熱源。此時(shí)，合理的建筑結(jié)構(gòu)和布局可以引導(dǎo)自然通風(fēng)將熱量帶走，與太陽能煙囪協(xié)同工作，提高通風(fēng)散熱效果。如果建筑結(jié)構(gòu)和布局不合理，可能會(huì)使熱量積聚在局部區(qū)域，無法有效排出，降低太陽能煙囪的通風(fēng)效果。在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)和布局對(duì)自然通風(fēng)路徑、阻力以及室內(nèi)溫度場的影響，與太陽能煙囪的設(shè)計(jì)相結(jié)合，優(yōu)化建筑的自然通風(fēng)性能。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法，可以對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)和布局下太陽能煙囪的通風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，為建筑設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。三、太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型3.1數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)理論在研究太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的過程中，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是深入理解其工作原理和性能的關(guān)鍵。數(shù)學(xué)模型基于一系列基礎(chǔ)理論，其中質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程是描述太陽能煙囪內(nèi)空氣流動(dòng)和熱傳遞過程的重要基礎(chǔ)。這些方程從不同角度揭示了空氣在流動(dòng)過程中的物理規(guī)律，為分析太陽能煙囪的性能提供了理論依據(jù)。通過對(duì)這些方程的合理運(yùn)用和求解，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)太陽能煙囪內(nèi)的流場、溫度場以及通風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)，從而為太陽能煙囪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供有力支持。3.1.1質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程，也被稱為連續(xù)性方程，是流體力學(xué)中的基本方程之一，在自然通風(fēng)研究中具有重要應(yīng)用，用于描述空氣在流動(dòng)過程中的質(zhì)量變化。其物理意義在于，在一個(gè)封閉的控制體內(nèi)，流入控制體的空氣質(zhì)量與流出控制體的空氣質(zhì)量之差，等于控制體內(nèi)空氣質(zhì)量的變化率。對(duì)于不可壓縮流體，質(zhì)量守恒方程的一般形式可表示為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0（4）其中，\rho為流體密度（kg/m^3），t為時(shí)間（s），\vec{v}為速度矢量（m/s），\nabla\cdot為散度算子。在太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究中，假設(shè)空氣為不可壓縮流體（在大多數(shù)情況下，自然通風(fēng)中空氣密度變化較小，該假設(shè)合理），且流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)（即不隨時(shí)間變化），則質(zhì)量守恒方程可進(jìn)一步簡化為：\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0（5）這意味著在太陽能煙囪內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)通過任意封閉曲面的空氣質(zhì)量流量為零，即流入的空氣質(zhì)量等于流出的空氣質(zhì)量。例如，在太陽能煙囪的某一截面處，若已知空氣的流速分布和密度，通過對(duì)該截面進(jìn)行積分運(yùn)算，即可根據(jù)質(zhì)量守恒方程確定通過該截面的空氣質(zhì)量流量。在實(shí)際應(yīng)用中，質(zhì)量守恒方程可用于計(jì)算太陽能煙囪的通風(fēng)量。假設(shè)太陽能煙囪的進(jìn)出口面積分別為A_1和A_2，進(jìn)出口處的空氣流速分別為v_1和v_2，由于空氣質(zhì)量守恒，可得\rho_1v_1A_1=\rho_2v_2A_2。如果已知其中一些參數(shù)，就可以通過該方程計(jì)算出其他未知參數(shù)，從而評(píng)估太陽能煙囪的通風(fēng)性能。3.1.2動(dòng)量守恒方程動(dòng)量守恒方程在分析空氣流動(dòng)動(dòng)力和阻力方面起著至關(guān)重要的作用，它描述了作用在流體微元上的各種力與流體微元?jiǎng)恿孔兓g的關(guān)系。在太陽能煙囪模型中，動(dòng)量守恒方程可用于確定空氣在煙囪內(nèi)的流動(dòng)速度和壓力分布，進(jìn)而分析通風(fēng)效果。動(dòng)量守恒方程的一般形式基于牛頓第二定律，可表示為：\rho\frac{D\vec{v}}{Dt}=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}（6）其中，\frac{D\vec{v}}{Dt}為流體微元的加速度，等于\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}；p為壓力（Pa）；\tau為粘性應(yīng)力張量；\vec{g}為重力加速度矢量（m/s^2）。在太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究中，對(duì)于穩(wěn)態(tài)、不可壓縮且忽略粘性應(yīng)力（在一些情況下，粘性應(yīng)力對(duì)通風(fēng)影響較小，可忽略）的空氣流動(dòng)，動(dòng)量守恒方程可簡化為：(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}=-\frac{1}{\rho}\nablap+\vec{g}（7）方程左邊(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}表示慣性力，反映了空氣由于自身運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)量變化；右邊第一項(xiàng)-\frac{1}{\rho}\nablap表示壓力梯度力，是驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的主要?jiǎng)恿χ?，壓力差的存在促使空氣從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域；右邊第二項(xiàng)\vec{g}表示重力，在太陽能煙囪中，熱空氣由于密度小于冷空氣，在重力作用下會(huì)產(chǎn)生向上的浮力，這是熱壓通風(fēng)的重要驅(qū)動(dòng)力。在太陽能煙囪中，熱空氣在上升過程中，會(huì)受到自身重力、煙囪壁面的摩擦力以及壓力差等多種力的作用。通過動(dòng)量守恒方程，可以分析這些力對(duì)空氣流動(dòng)的影響。當(dāng)煙囪高度增加時(shí)，重力對(duì)空氣流動(dòng)的影響會(huì)增大，而壓力差和摩擦力的作用也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。根據(jù)動(dòng)量守恒方程，可以計(jì)算出在不同條件下空氣的流速和壓力分布，從而評(píng)估太陽能煙囪的通風(fēng)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)量守恒方程可與其他方程（如質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程）聯(lián)立求解，以全面分析太陽能煙囪內(nèi)的空氣流動(dòng)特性。例如，在研究太陽能煙囪的通風(fēng)效率時(shí)，通過動(dòng)量守恒方程確定空氣的流速和壓力分布，結(jié)合質(zhì)量守恒方程計(jì)算通風(fēng)量，再利用能量守恒方程分析能量轉(zhuǎn)換和損失情況，從而綜合評(píng)估太陽能煙囪的通風(fēng)效率。3.1.3能量守恒方程能量守恒方程在研究太陽能煙囪內(nèi)空氣能量轉(zhuǎn)換和傳遞中具有重要應(yīng)用，它體現(xiàn)了能量在不同形式之間的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)系。在太陽能煙囪中，涉及到的能量形式主要有內(nèi)能、動(dòng)能和重力勢(shì)能，太陽輻射能則是驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的外部能量來源。能量守恒方程的一般形式基于熱力學(xué)第一定律，可表示為：\rho\frac{Dh}{Dt}=\frac{\partialp}{\partialt}+\nabla\cdot(k\nablaT)+\Phi（8）其中，h為比焓（J/kg），等于u+\frac{p}{\rho}，u為比內(nèi)能（J/kg）；k為熱導(dǎo)率（W/(m?K)）；T為溫度（K）；\Phi為粘性耗散項(xiàng)，表示由于粘性力做功而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。在太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究中，假設(shè)空氣為理想氣體，且忽略粘性耗散（在一些情況下，粘性耗散對(duì)能量轉(zhuǎn)換影響較小，可忽略），同時(shí)考慮到太陽輻射的影響，能量守恒方程可簡化為：\rhoc_p\frac{DT}{Dt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+q_{rad}（9）其中，c_p為定壓比熱容（J/(kg?K)）；q_{rad}為太陽輻射強(qiáng)度（W/m2）。方程左邊\rhoc_p\frac{DT}{Dt}表示空氣的內(nèi)能變化率，反映了空氣溫度隨時(shí)間和空間的變化；右邊第一項(xiàng)\nabla\cdot(k\nablaT)表示熱傳導(dǎo)項(xiàng)，描述了由于溫度梯度導(dǎo)致的熱量傳遞；右邊第二項(xiàng)q_{rad}表示太陽輻射項(xiàng)，是太陽能煙囪內(nèi)空氣能量的主要輸入源。在太陽能煙囪中，太陽輻射照射到集熱部分，被吸熱板吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，使空氣溫度升高，內(nèi)能增加。同時(shí)，空氣在流動(dòng)過程中，會(huì)通過熱傳導(dǎo)與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換。通過能量守恒方程，可以分析這些能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程，從而確定太陽能煙囪內(nèi)的溫度分布和能量利用效率。例如，在研究太陽能煙囪的集熱效率時(shí)，通過能量守恒方程計(jì)算空氣吸收的太陽輻射能以及由于熱傳導(dǎo)損失的能量，進(jìn)而評(píng)估集熱效率。在實(shí)際應(yīng)用中，能量守恒方程與質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程相互關(guān)聯(lián)，共同描述太陽能煙囪內(nèi)的復(fù)雜物理過程。通過聯(lián)立求解這三個(gè)方程，可以全面了解太陽能煙囪內(nèi)的流場、溫度場以及能量分布情況，為太陽能煙囪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供理論支持。3.2太陽能煙囪數(shù)學(xué)模型建立3.2.1模型假設(shè)與簡化為建立太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)際物理過程進(jìn)行合理的假設(shè)與簡化是必要的，這有助于提高模型的可解性和計(jì)算效率，同時(shí)在一定程度上能夠準(zhǔn)確反映太陽能煙囪的主要工作特性。在模型假設(shè)方面，首先假設(shè)空氣為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，這樣可以簡化對(duì)空氣物理性質(zhì)的描述。在大多數(shù)自然通風(fēng)的工況下，空氣的實(shí)際行為與理想氣體較為接近，該假設(shè)具有一定的合理性。例如，在常溫常壓條件下，空氣的壓縮性和粘性等復(fù)雜特性對(duì)整體通風(fēng)效果的影響相對(duì)較小，將其視為理想氣體能夠有效簡化計(jì)算過程。假設(shè)太陽能煙囪內(nèi)的流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，即不隨時(shí)間變化。雖然在實(shí)際運(yùn)行中，太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素會(huì)隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致太陽能煙囪內(nèi)的氣流和溫度場也會(huì)有所變化，但在一定時(shí)間段內(nèi)，這種變化相對(duì)緩慢。在進(jìn)行模型分析時(shí)，選取一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行研究，將其近似看作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，能夠使模型的求解過程更加簡單。例如，在分析某一典型天氣條件下太陽能煙囪的通風(fēng)性能時(shí)，選取上午10點(diǎn)至下午2點(diǎn)這段時(shí)間，此時(shí)太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化相對(duì)較小，將該時(shí)間段內(nèi)的流動(dòng)視為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，能夠滿足工程計(jì)算的精度要求。假設(shè)忽略空氣的粘性力對(duì)流動(dòng)的影響。在太陽能煙囪內(nèi)，空氣與煙囪壁面之間存在一定的粘性摩擦，會(huì)產(chǎn)生粘性阻力。然而，在一些情況下，粘性力對(duì)整體空氣流動(dòng)的影響相對(duì)較小，與熱壓、風(fēng)壓等驅(qū)動(dòng)力相比可以忽略不計(jì)。特別是當(dāng)煙囪內(nèi)空氣流速較高，且煙囪尺寸較大時(shí)，粘性力的作用相對(duì)較弱。通過忽略粘性力，可以簡化動(dòng)量守恒方程的求解，提高計(jì)算效率。例如，在大型工業(yè)廠房應(yīng)用的太陽能煙囪中，煙囪高度較高，空氣流速較大，此時(shí)忽略粘性力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小。在模型簡化方面，對(duì)太陽能煙囪的幾何形狀進(jìn)行簡化。實(shí)際的太陽能煙囪結(jié)構(gòu)可能較為復(fù)雜，包括集熱部分的形狀、煙囪的彎曲度等。為便于建模和計(jì)算，通常將太陽能煙囪簡化為規(guī)則的幾何形狀，如將集熱部分簡化為矩形或圓形平板，煙囪簡化為垂直或傾斜的圓柱體。這種簡化能夠使模型的幾何描述更加簡單，便于進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算。例如，在數(shù)值模擬中，將集熱部分簡化為矩形平板，能夠方便地設(shè)置邊界條件和進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提高計(jì)算效率。同時(shí)，這種簡化在一定程度上也能夠反映太陽能煙囪的主要物理特性，不會(huì)對(duì)模型的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。忽略太陽輻射在煙囪內(nèi)部的多次反射和散射過程。太陽輻射進(jìn)入太陽能煙囪后，會(huì)在集熱部分和煙囪壁面之間發(fā)生多次反射和散射，使得輻射傳熱過程變得復(fù)雜。在建立模型時(shí)，為了簡化計(jì)算，通常假設(shè)太陽輻射能夠一次性被集熱部分吸收，而忽略其在煙囪內(nèi)部的多次反射和散射。雖然這種簡化會(huì)在一定程度上與實(shí)際情況存在差異，但在大多數(shù)情況下，太陽輻射的主要能量能夠被集熱部分有效地吸收，對(duì)整體通風(fēng)效果的影響較小。例如，在一些工程應(yīng)用中，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，忽略太陽輻射的多次反射和散射對(duì)太陽能煙囪通風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果影響在可接受范圍內(nèi)。3.2.2控制方程推導(dǎo)基于上述假設(shè)與簡化，根據(jù)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，結(jié)合太陽能煙囪的實(shí)際運(yùn)行情況，推導(dǎo)適用于太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的控制方程。連續(xù)性方程：對(duì)于穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的空氣流動(dòng)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，連續(xù)性方程可表示為：\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0（10）其中，\rho為空氣密度（kg/m^3），\vec{v}為速度矢量（m/s），\nabla\cdot為散度算子。在笛卡爾坐標(biāo)系下，該方程展開為：\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0（11）式中，u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量（m/s）。連續(xù)性方程表明，在太陽能煙囪內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)通過任意封閉曲面的空氣質(zhì)量流量為零，即流入的空氣質(zhì)量等于流出的空氣質(zhì)量。例如，在太陽能煙囪的某一截面處，通過該截面的空氣質(zhì)量流量可通過對(duì)該截面的速度和密度進(jìn)行積分計(jì)算得到，根據(jù)連續(xù)性方程，在不同截面處的空氣質(zhì)量流量應(yīng)保持相等。動(dòng)量守恒方程：對(duì)于穩(wěn)態(tài)、不可壓縮且忽略粘性力的空氣流動(dòng)，動(dòng)量守恒方程基于牛頓第二定律可表示為：(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}=-\frac{1}{\rho}\nablap+\vec{g}（12）其中，(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}表示慣性力，反映了空氣由于自身運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)量變化；-\frac{1}{\rho}\nablap表示壓力梯度力，是驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的主要?jiǎng)恿χ?，壓力差的存在促使空氣從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域；\vec{g}表示重力加速度矢量（m/s^2）。在笛卡爾坐標(biāo)系下，x、y、z方向上的動(dòng)量守恒方程分別為：u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialx}+g_x（13）u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialy}+g_y（14）u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialz}+g_z（15）式中，g_x、g_y、g_z分別為x、y、z方向上的重力加速度分量（m/s^2）。在太陽能煙囪中，熱空氣在上升過程中，會(huì)受到自身重力、壓力差等多種力的作用。通過動(dòng)量守恒方程，可以分析這些力對(duì)空氣流動(dòng)的影響。例如，在煙囪高度方向（假設(shè)為z方向），重力作用會(huì)使空氣上升的速度受到一定的阻礙，而壓力差則是驅(qū)動(dòng)空氣上升的主要?jiǎng)恿?。?dāng)煙囪高度增加時(shí)，重力對(duì)空氣流動(dòng)的影響會(huì)增大，而壓力差的作用也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。根據(jù)動(dòng)量守恒方程，可以計(jì)算出在不同條件下空氣的流速和壓力分布，從而評(píng)估太陽能煙囪的通風(fēng)性能。能量守恒方程：假設(shè)空氣為理想氣體，且忽略粘性耗散，同時(shí)考慮太陽輻射的影響，能量守恒方程基于熱力學(xué)第一定律可表示為：\rhoc_p\frac{DT}{Dt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+q_{rad}（16）其中，\rho為空氣密度（kg/m^3），c_p為定壓比熱容（J/(kg?K)），\frac{DT}{Dt}為空氣溫度的全導(dǎo)數(shù)，等于\frac{\partialT}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)T，在穩(wěn)態(tài)條件下\frac{\partialT}{\partialt}=0，k為熱導(dǎo)率（W/(m?K)），T為溫度（K），q_{rad}為太陽輻射強(qiáng)度（W/m2）。在笛卡爾坐標(biāo)系下，能量守恒方程展開為：\rhoc_p(u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz})=k(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2T}{\partialz^2})+q_{rad}（17）方程左邊表示空氣的內(nèi)能變化率，反映了空氣溫度隨空間的變化；右邊第一項(xiàng)表示熱傳導(dǎo)項(xiàng)，描述了由于溫度梯度導(dǎo)致的熱量傳遞；右邊第二項(xiàng)表示太陽輻射項(xiàng)，是太陽能煙囪內(nèi)空氣能量的主要輸入源。在太陽能煙囪中，太陽輻射照射到集熱部分，被吸熱板吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，使空氣溫度升高，內(nèi)能增加。同時(shí)，空氣在流動(dòng)過程中，會(huì)通過熱傳導(dǎo)與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換。通過能量守恒方程，可以分析這些能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程，從而確定太陽能煙囪內(nèi)的溫度分布和能量利用效率。例如，在研究太陽能煙囪的集熱效率時(shí)，通過能量守恒方程計(jì)算空氣吸收的太陽輻射能以及由于熱傳導(dǎo)損失的能量，進(jìn)而評(píng)估集熱效率。3.2.3邊界條件設(shè)定為了求解上述控制方程，需要確定合適的邊界條件，包括進(jìn)出口邊界、壁面邊界等，這些邊界條件的設(shè)定需根據(jù)太陽能煙囪的實(shí)際情況進(jìn)行。進(jìn)出口邊界條件：對(duì)于太陽能煙囪的進(jìn)氣口，通常采用速度入口邊界條件。假設(shè)進(jìn)氣口處的空氣流速已知，根據(jù)實(shí)際測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。進(jìn)氣口處的空氣溫度也可根據(jù)室外環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)定。在一些情況下，如果考慮到進(jìn)氣口處的空氣可能受到周圍建筑物或地形的影響，還需要對(duì)速度和溫度的分布進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。例如，在一個(gè)位于城市街區(qū)的建筑中，太陽能煙囪的進(jìn)氣口可能會(huì)受到周圍建筑物的阻擋，導(dǎo)致進(jìn)氣速度分布不均勻。此時(shí)，可以通過實(shí)地測(cè)量或數(shù)值模擬的方法，確定進(jìn)氣口處的速度分布，并將其作為邊界條件輸入到模型中。進(jìn)氣口處的壓力通常設(shè)置為環(huán)境大氣壓力。對(duì)于太陽能煙囪的出氣口，一般采用壓力出口邊界條件。假設(shè)出氣口處的壓力等于環(huán)境大氣壓力，這是因?yàn)槌鰵饪谂c外界大氣相通。出氣口處的空氣溫度和速度則通過求解控制方程得到。在實(shí)際計(jì)算中，為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性，需要對(duì)出氣口處的回流情況進(jìn)行合理的處理。如果出現(xiàn)回流現(xiàn)象，即有部分空氣從出氣口反向流入煙囪內(nèi)，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)回流的速度和溫度進(jìn)行設(shè)定。例如，可以參考相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式，確定回流的速度和溫度，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。壁面邊界條件：對(duì)于太陽能煙囪的集熱部分壁面，包括透明蓋板和吸熱板，采用熱流邊界條件。假設(shè)透明蓋板的太陽輻射透過率已知，根據(jù)透明蓋板的材料特性和光學(xué)性能確定。進(jìn)入集熱部分的太陽輻射強(qiáng)度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋽?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。吸熱板吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱傳導(dǎo)傳遞給空氣。因此，在吸熱板壁面處，設(shè)置熱流密度邊界條件，其大小等于吸熱板吸收的太陽輻射能減去通過透明蓋板散失到外界的熱量。例如，在某一太陽能煙囪中，透明蓋板的太陽輻射透過率為0.8，當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋸?qiáng)度為600W/m2，通過透明蓋板散失到外界的熱量為50W/m2，則吸熱板壁面處的熱流密度為600\times0.8-50=430W/m?2。對(duì)于煙囪主體的壁面，采用無滑移邊界條件，即壁面處的空氣速度為零。這是因?yàn)榭諝馀c壁面之間存在粘性力，使得靠近壁面的空氣流速趨近于零。在能量方程中，煙囪壁面通常假設(shè)為絕熱邊界，即忽略煙囪壁面與外界環(huán)境之間的熱量交換。在實(shí)際情況中，煙囪壁面會(huì)有一定的散熱損失，但在一些情況下，這種散熱損失相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。如果需要考慮煙囪壁面的散熱損失，可以采用對(duì)流換熱邊界條件，根據(jù)煙囪壁面與外界環(huán)境之間的溫度差和對(duì)流換熱系數(shù)來確定壁面處的熱流密度。例如，當(dāng)煙囪壁面溫度為40℃，外界環(huán)境溫度為25℃，對(duì)流換熱系數(shù)為5W/(m2?K)時(shí)，煙囪壁面處的熱流密度為5\times(40-25)=75W/m?2。通過合理設(shè)定邊界條件，能夠使建立的數(shù)學(xué)模型更加符合太陽能煙囪的實(shí)際運(yùn)行情況，從而提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的研究對(duì)象和要求，對(duì)邊界條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。3.3模型驗(yàn)證與分析3.3.1與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比為驗(yàn)證所建立的太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模型計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于[具體實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目]，該實(shí)驗(yàn)在[實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)]進(jìn)行，搭建了[具體實(shí)驗(yàn)裝置的描述，包括太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)、集熱部分的材料和尺寸等]實(shí)驗(yàn)裝置，通過測(cè)量不同工況下太陽能煙囪的通風(fēng)量、煙囪內(nèi)空氣溫度分布以及進(jìn)出口壓力等參數(shù)，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。選取了[具體的工況條件，如太陽輻射強(qiáng)度為XW/m2、環(huán)境溫度為Y℃、煙囪高度為Zm等]工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在該工況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的通風(fēng)量為Q_{exp}（單位：m?3/s），通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的通風(fēng)量為Q_{cal}（單位：m?3/s）。計(jì)算兩者的相對(duì)誤差\delta，公式為：\delta=\frac{|Q_{cal}-Q_{exp}|}{Q_{exp}}\times100\%（18）經(jīng)計(jì)算，該工況下的相對(duì)誤差\delta為[具體誤差值]%。相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)，表明模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了模型在預(yù)測(cè)通風(fēng)量方面的準(zhǔn)確性。對(duì)于煙囪內(nèi)空氣溫度分布，實(shí)驗(yàn)在煙囪不同高度位置布置了溫度傳感器，測(cè)量得到不同高度處的空氣溫度T_{exp}(h)（單位：℃，h為高度，單位：m）。模型計(jì)算得到的不同高度處空氣溫度為T_{cal}(h)（單位：℃）。將兩者進(jìn)行對(duì)比，繪制溫度分布曲線，如圖[具體圖號(hào)]所示。從圖中可以看出，模型計(jì)算得到的溫度分布曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本一致，在煙囪底部，由于太陽輻射加熱作用，空氣溫度迅速升高，隨著高度的增加，空氣溫度逐漸降低，且模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在不同高度處的溫度偏差均在可接受范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型在描述煙囪內(nèi)空氣溫度分布方面的可靠性。在進(jìn)出口壓力方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)氣口壓力為P_{in,exp}（單位：Pa），出氣口壓力為P_{out,exp}（單位：Pa）；模型計(jì)算得到的進(jìn)氣口壓力為P_{in,cal}（單位：Pa），出氣口壓力為P_{out,cal}（單位：Pa）。計(jì)算進(jìn)氣口和出氣口壓力的相對(duì)誤差分別為\delta_{in}和\delta_{out}，公式分別為：\delta_{in}=\frac{|P_{in,cal}-P_{in,exp}|}{P_{in,exp}}\times100\%（19）\delta_{out}=\frac{|P_{out,cal}-P_{out,exp}|}{P_{out,exp}}\times100\%（20）經(jīng)計(jì)算，進(jìn)氣口壓力相對(duì)誤差\delta_{in}為[具體進(jìn)氣口誤差值]%，出氣口壓力相對(duì)誤差\delta_{out}為[具體出氣口誤差值]%。相對(duì)誤差較小，說明模型在預(yù)測(cè)進(jìn)出口壓力方面也具有較高的準(zhǔn)確性。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在通風(fēng)量、煙囪內(nèi)空氣溫度分布以及進(jìn)出口壓力等方面的對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建立的太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地描述太陽能煙囪的實(shí)際運(yùn)行情況，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，可為后續(xù)的數(shù)值模擬分析和工程應(yīng)用提供有力的支持。3.3.2模型參數(shù)敏感性分析為深入了解太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的性能，分析模型中各參數(shù)對(duì)通風(fēng)效果的敏感性，確定關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。選取太陽輻射強(qiáng)度、煙囪高度、煙囪直徑、室內(nèi)外溫差以及集熱板吸收率等參數(shù)作為研究對(duì)象，通過改變這些參數(shù)的值，觀察通風(fēng)量和通風(fēng)效率等指標(biāo)的變化情況，從而評(píng)估各參數(shù)對(duì)通風(fēng)效果的影響程度。首先，分析太陽輻射強(qiáng)度對(duì)通風(fēng)效果的影響。在其他參數(shù)保持不變的情況下，將太陽輻射強(qiáng)度從300W/m?2逐漸增加到900W/m?2，每次增加100W/m?2，計(jì)算不同太陽輻射強(qiáng)度下的通風(fēng)量和通風(fēng)效率。計(jì)算結(jié)果表明，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，通風(fēng)量和通風(fēng)效率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度從300W/m?2增加到900W/m?2時(shí)，通風(fēng)量從0.8m?3/s增加到2.0m?3/s，增加了150%；通風(fēng)效率從0.3提高到0.5，提高了66.7%。這表明太陽輻射強(qiáng)度是影響通風(fēng)效果的關(guān)鍵參數(shù)，太陽輻射強(qiáng)度的增加能夠顯著提高太陽能煙囪的通風(fēng)能力和能源利用效率。接著，研究煙囪高度對(duì)通風(fēng)效果的影響。固定其他參數(shù)，將煙囪高度從10m逐步增加到30m，每次增加5m，計(jì)算相應(yīng)的通風(fēng)量和通風(fēng)效率。結(jié)果顯示，通風(fēng)量隨著煙囪高度的增加而增大，但增加的幅度逐漸減小。當(dāng)煙囪高度從10m增加到15m時(shí)，通風(fēng)量增加了0.4m?3/s；而當(dāng)煙囪高度從25m增加到30m時(shí)，通風(fēng)量僅增加了0.1m?3/s。通風(fēng)效率也隨著煙囪高度的增加而有所提高，但當(dāng)煙囪高度超過一定值后，通風(fēng)效率的提升不再明顯。這說明煙囪高度對(duì)通風(fēng)效果有較大影響，但存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的高度范圍，超過該范圍，增加煙囪高度對(duì)通風(fēng)效果的改善作用有限，且會(huì)增加建設(shè)成本。對(duì)于煙囪直徑，在保持其他參數(shù)不變的情況下，將煙囪直徑從0.5m增大到1.5m，每次增加0.2m，計(jì)算通風(fēng)量和通風(fēng)效率。隨著煙囪直徑的增大，通風(fēng)量逐漸增加，通風(fēng)阻力減小，通風(fēng)效率提高。當(dāng)煙囪直徑從0.5m增大到1.5m時(shí)，通風(fēng)量從0.6m?3/s增加到1.2m?3/s，通風(fēng)效率從0.25提高到0.4。然而，增大煙囪直徑也會(huì)增加建筑成本和占地面積，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要綜合考慮通風(fēng)需求和成本等因素，選擇合適的煙囪直徑。室內(nèi)外溫差對(duì)通風(fēng)效果的影響也不容忽視。改變室內(nèi)外溫差，從5a??增加到15a??，每次增加2a??，計(jì)算通風(fēng)量和通風(fēng)效率。結(jié)果表明，通風(fēng)量和通風(fēng)效率與室內(nèi)外溫差呈正相關(guān)關(guān)系，室內(nèi)外溫差越大，通風(fēng)量和通風(fēng)效率越高。當(dāng)室內(nèi)外溫差從5a??增加到15a??時(shí)，通風(fēng)量從0.7m?3/s增加到1.5m?3/s，通風(fēng)效率從0.3提高到0.45。這說明在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分利用室內(nèi)外溫差，優(yōu)化太陽能煙囪的運(yùn)行，以提高通風(fēng)效果。最后，分析集熱板吸收率對(duì)通風(fēng)效果的影響。將集熱板吸收率從0.7提高到0.9，每次增加0.05，計(jì)算通風(fēng)量和通風(fēng)效率。隨著集熱板吸收率的提高，集熱效果增強(qiáng)，通風(fēng)量和通風(fēng)效率均有所增加。當(dāng)集熱板吸收率從0.7提高到0.9時(shí)，通風(fēng)量從0.9m?3/s增加到1.1m?3/s，通風(fēng)效率從0.35提高到0.4。但集熱板吸收率對(duì)通風(fēng)效果的影響相對(duì)較小，在實(shí)際應(yīng)用中，可在滿足經(jīng)濟(jì)成本的前提下，適當(dāng)提高集熱板吸收率，以進(jìn)一步提升太陽能煙囪的性能。通過對(duì)模型參數(shù)的敏感性分析，確定了太陽輻射強(qiáng)度、煙囪高度和直徑、室內(nèi)外溫差等為影響太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)效果的關(guān)鍵參數(shù)。在太陽能煙囪的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些關(guān)鍵參數(shù)，合理選擇和調(diào)整參數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)最佳的通風(fēng)效果和經(jīng)濟(jì)效益。四、太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)數(shù)值模擬方法4.1數(shù)值模擬軟件選擇4.1.1常用CFD軟件介紹計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件作為研究流體流動(dòng)和傳熱問題的重要工具，在太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的數(shù)值模擬研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前，市場上存在多種CFD軟件，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。Fluent是一款被廣泛應(yīng)用的CFD軟件，由ANSYS公司開發(fā)。它具備強(qiáng)大的功能，涵蓋了豐富的物理模型，如多種湍流模型（k-ε模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型等）和多相流模型（歐拉多相流模型、混合多相流模型、VOF模型等）。這些模型經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程驗(yàn)證，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠精確模擬太陽能煙囪內(nèi)復(fù)雜的空氣流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。例如，在模擬太陽能煙囪內(nèi)的湍流流動(dòng)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的湍流模型。若煙囪內(nèi)氣流的湍流程度較低，k-ε模型能夠較好地描述其流動(dòng)特性；而當(dāng)湍流程度較高且存在較強(qiáng)的各向異性時(shí)，雷諾應(yīng)力模型則能提供更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。Fluent擁有友好的用戶界面和完善的前后處理功能，便于用戶進(jìn)行模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置以及結(jié)果的可視化分析。在網(wǎng)格劃分方面，它支持多種網(wǎng)格類型，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格，用戶可根據(jù)模型的幾何形狀和計(jì)算精度要求選擇合適的網(wǎng)格劃分方式。CFX也是一款知名的CFD軟件，同樣由ANSYS公司收購并發(fā)展。它以其先進(jìn)的數(shù)值算法和高效的求解器而聞名，尤其在處理復(fù)雜幾何形狀和多物理場耦合問題方面表現(xiàn)出色。CFX采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地求解大規(guī)模的CFD問題，大大提高了計(jì)算效率。在模擬太陽能煙囪與建筑結(jié)構(gòu)的耦合問題時(shí)，CFX能夠精確考慮兩者之間的熱傳遞和空氣流動(dòng)相互作用，為研究太陽能煙囪對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境的影響提供了有力工具。CFX還具有強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，可充分利用多核處理器的計(jì)算資源，進(jìn)一步加快計(jì)算速度，適用于大規(guī)模的數(shù)值模擬研究。STAR-CCM+是CD-adapco公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的CFD軟件，它搭載了獨(dú)創(chuàng)的最新網(wǎng)格生成技術(shù)，使用多面體網(wǎng)格，相比于傳統(tǒng)的四面體網(wǎng)格，在保持相同計(jì)算精度的情況下，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算性能約