基于涡旋引擎理论的城市空气对流机理研究

发布时间：2020-05-27 15:23

【摘要】：本文尝试利用涡旋引擎理论缓解城市中心区域温度过高以及污染物集中难以扩散问题,建立了缩小比例几何模型,进行实验以及数值计算,验证城市建筑群中的涡旋引擎系统的可行性,以及对于增强涡旋流场稳定性及强度的优化设计,主要结论如下:(1)通过对缩小后的几何模型进行实验以及数值计算,并将所得结果对比,通过实验现象以及各项参数的测量,显示本文中的设计成功形成了涡旋流场,且数值计算所得结果和实验结果较吻合,误差保持在10%以内,说明数值计算的结果能够较全面的显示流场的实际情况。(2)涡旋流场稳定区域入口直径大小会对涡旋流场的强度及稳定性产生影响,当涡旋稳定区入口直径与涡旋发生器高度比值为0.75时,涡旋强度最大,且出口处的质量流量较大,涡旋流场中心区域压力较低,涡旋流场的效果最好。当涡旋流场稳定区域入口直径过小时,无法形成涡旋流场,增大的过程中,涡旋逐渐增强,达到一定值后,直径的增加对涡旋流场的影响程度下降。(3)针对入口温度对涡旋流场的影响,得出的结果表明:在一定的条件下入口处温度大小决定着涡旋流场能否形成以及涡旋流场的强度和稳定性,适当增加温度能够增强涡旋流场强度与稳定性,本文中最优的入口温度为1200K。(4)在不同的挡板放置倾斜角之下,当倾斜角较大时,涡旋发生器底部的平均速度较大且分布较均匀,因此认为可适当增大挡板放置倾斜角,可以使得涡旋发生器内部速度较大且分布较均匀,针对本文中几何模型的数值计算比较结果显示,当倾斜角为25°时,涡旋发生器内部平均速度分布较均匀。(5)尽量保持建筑之间的间距较小,能够提高涡旋流场的强度以及稳定性。当狭缝宽度为50mm时,涡旋流场稳定区域出口处涡旋强度为最大值14.593,并且此时涡旋流场形成中心区域负压较低,涡旋流场稳定区域出口处质量流量较大,因此本文认为针对本次几何模型,当建筑之间的狭缝宽度为50mm时,能够获得相对更加稳定和强度更大的涡旋流场。(6)利用相似理论对城市建筑群中的参数进行计算,得到的结果如下:在城市建筑群中形成涡旋流场所需的热源和外界环境温度差大约为7.7×10~(-2)℃,对于城市中心的空气的吞吐量达到:10839t/h,说明在城市建筑群中建立涡旋引擎系统,具有可行性和应用价值。
【图文】：

大到足以摧毁地面建筑[36]。根据对自然龙卷风的以上分析，Louis Michaud 提出了大气涡旋引擎的概念，图1-1 是 Louis Michaud 设计的涡旋发生器结构示意图[37]。图 1-1 大气涡旋引擎示意图Figure 1-1Atmospheric Vortex Engine Structure DiagramLouis Michaud 还利用热力学循环过程对整个系统进行了分析，分析表明其理想的效率与卡诺循环效率近似（值得一提的是大气涡旋系统的理想热力学循环与太阳能烟囱理想热力学循环类似）[38]。较为统一的观点认为：龙卷风的发生至少需要一个水平方向的剪切力和竖直向上的气流，，向上的气流在龙卷风中更为重要[39]。涡旋引擎效

图 1-2 涡旋引擎效果图Figure 1-2 Vortex Engine Rendering卷风发电尚处于起步阶段，理论研究并不多。陈玉德,其工作原理与大气涡旋引擎类似，通过风塔周围斜向形成龙卷风，形成抽吸力推动置于斜向进气管内部的
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X169

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本文编号：2683730