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系統識別號 U0002-2607201210213500
中文論文名稱 穩定熱源之建築物室內溫度流場研究-數值模擬與實場測量比較
英文論文名稱 A Study on the Flow Fields inside the Building with the Steady Thermal Source - Numerical and Field Measurement Data
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 李勁甫
研究生英文姓名 Chin-Fu Lee
學號 699380027
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-05
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-李勁甫
委員-王人牧
委員-張正興
委員-陳振華
中文關鍵字 Fluent  CFD  RNG  k-ε  室內模擬  室內流場  對流模擬  室內溫度場  穩態 
英文關鍵字 Fluent  CFD,RNG  k-ε  steady  room  temperature 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要   由於現在人對於居住舒適度越來越重視,運用數值模擬能全方面的看到住宅的溫度、風速、濕度等的變化,然而模擬的結果是否可靠這點仍讓許多人產生疑問,所以本研究是模擬穩態室內溫度場,並定義出相關重要的參數,以供之後進行室內溫度場分析的人做參考。
研究分成實場測量與數值模擬兩大部分,實場測量採用一薄壁木造房間進行探討,由於房間整體是薄壁結構所以對於熱通量的影響就會相當明顯,由此來對熱通量與溫度對於室內溫度模擬的差異。此外除量測溫度外還加入了濕度的測量,此後將溫度與濕度條件導入至模擬分析時所需的邊界條件。經由多次經驗瞭解到許多測量上可能會發生誤差的情況,包含:儀器本身的誤差、測頭銲接不良造成的誤差、測頭壞損的誤差……等,對於這部分做成表格並寫出其誤差情況以便後人對照,不至於再犯同樣的錯誤。
數值模擬分成建模與分析,其中又以建模為最重要的部分,此因模型的好壞會影響到模擬的準確性與收斂情況,為了使數值模擬有良好表現必須對於模型的品質有嚴格的要求,對於網格採用結構性網格並避免網格曲率高達0.8以上。 濕空氣性質部分則參考了P.T.Tsilingiris所寫的研究,將濕空氣的密度、導熱係數、比熱和黏度定義出來,再將所得的模擬結果分析討論得到較佳的模擬方式,最後再找一適當的真實房間,以之前所得的模擬方法帶入,完成最後驗證。
本研究是討論數值模擬的可行性,並對於各個模擬參數進行討論,就以研究結果已知對於室內溫度模擬中最難定義的參數為熱通量,希望未來能找到簡易的方法計算,使室內模擬能更加容易。
英文摘要 People attach importance to the living environment comfortable, while the use of numerical simulation to understand that residential change of temperature, wind speed, humidity, etc.
This study is to simulate the steady-state interior temperature field, define important parameters for the indoor temperature field analysis after a reference.
The objective of this research is to provide the tools used to predict ventilation performance and pollutant dispersion in buildings. Research into actual field measurements and numerical simulation of two parts, the first this study is the wooden room to explore. The rooms are thin-walled structures so will the impact of the heat flux is fairly obvious, which for the simulation of the indoor temperature to the heat flux and temperature difference. In order to calculate the wall heat flux, temperature monitoring points were set up on the wall, to validate the relationship between the real field and the simulation. In addition, the amount of temperature-givers also joined the measurement of humidity, for the temperature and humidity conditions to import to the boundary conditions of the simulation analysis required.
Learned a lot of measurement error may occur by the number of measurement experience, including: instrument inaccuracy, welding the inaccuracy caused by poor probe corrupted inaccuracy,etc. These conditions are made form and write the error in order to control future generations, and will not make the same mistake
Numerical simulation is divided into the make model and analysis, make model the most important because the quality of the model will affect the simulation accuracy and convergence. In order for the numerical simulation it is necessary for the quality of the model has strict requirements for mesh structured grid and to avoid the grid curvature up to 0.8
Humid air settings reference P.T. Tsilingiris research, and define the moist air density, thermal conductivity than the heat and viscosity calculations, the simulation results obtained better simulation
Finally, find an appropriate room, and before from the simulation to verify the results of previous experiments.
This study is the steady simulations to find a faster simulation method of the indoor flow field, to let indoor simulation can be more easily
論文目次 目錄...................................................... i
圖片目錄 ................................................. iv
表格目錄 ................................................. vi
第一章 緒論 ............................................... 1
1-1 前言 ................................................. 1
1-2 實驗動機 .............................................. 2
1-3 研究方法 .............................................. 3
1-4 研究內容 .............................................. 3
1-5 研究架構與流程 ......................................... 4
第二章 文獻回顧與理論背景 .................................... 5
2-1 文獻回顧 .............................................. 5
2-1.1 國內室內環境模擬研究 ................................ 5
2-1.2 室內環境分析模式 .................................... 6
2-1.3 熱通量(Heat Flux) ................................. 6
2-1.4 空氣中水蒸氣的分量 .................................. 7
2-1.5 濕空氣的物理性質 .................................... 8
2-1.6 溫度、濕度與大氣壓力 ............................... 11
2-2 理論背景 ............................................. 13
2-2.2 控制方程式 ......................................... 13
2-2.3 計算流體力學 ........................................ 14
第三章 實場量測與數值模擬 ................................... 24
3-1 實場量測 ............................................. 24
3-1.1 試驗房間與熱源選擇 ................................. 24
3-1.2 儀器與配置 ........................................ 26
3-1.3 測量問題建議 ...................................... 31
3-1.4 試驗條件 .......................................... 32
3-2 數值模擬 ............................................. 34
3-2.1 數值模擬步驟 ....................................... 34
3-2.2 數值模型建設 ...................................... 34
3-2.3 模型製作建議 ...................................... 37
第四章 測量與模擬結果討論 ................................... 40
4-1 真實模型模擬分析 ....................................... 40
4-1.1 真實模型模擬設定 .................................... 40
4-1.2 真實模型模擬結果討論 ................................ 43
4-2 含窗框的真實模型模擬分析 ................................ 47
4-2.1 含窗框的真實模型模擬設定 ............................ 47
4-2.2 含窗框的真實模型模擬結果討論 ........................ 49
4-3 簡化電暖爐模型模擬分析 ................................ 52
4-3.1 簡化電暖爐模型模擬設定 .............................. 52
4-3.2 簡化電暖爐模型模擬結果討論 .......................... 53
4-4 改良化條件模擬分析 .................................... 56
4-4.1 改良化條件模擬設定 .................................. 56
4-4.2 改良化條件模擬結果討論 .............................. 58
第五章 真實房間溫度模擬 ..................................... 61
5-1 房間環境與測點架設 ..................................... 61
5-2 房間模型建設 .......................................... 65
5-3 純熱源模擬 ........................................... 66
5-3.1 純熱源模擬條件設置 .................................. 66
5-3.2 採用壁面熱通量分析模擬討論 .......................... 69
5-3.3 採用壁面溫度分析模擬討論 ............................ 76
5-4 熱源加冷源模擬 ........................................ 80
5-4.1 熱源加冷源模擬條件設置 .............................. 80
5-4.2 熱源加冷源模擬討論 .................................. 81
第六章 結論與建議 .......................................... 90
6-1 結論 ................................................ 90
6-1.1 模擬設定討論 ....................................... 90
6-1.2 穩態與非穩態分析討論 ................................ 92
6-2 後續研究建議 .......................................... 92
參考文獻 ................................................. 94

圖片目錄
圖1-1 研究流程架構 .................................... 4
圖2-1 溫濕對空氣密度的變化 ............................ 8
圖2-2 溫濕對空氣導熱係數的變化 ........................ 8
圖2-3 溫濕對空氣比熱的變化 ............................ 8
圖2-4 溫濕對空氣黏度的變化 ............................ 8
圖2-5 日夜海風示意圖 ................................. 12
圖2-6 Fluent 網格元素類型 .............................. 12
圖3-1 試驗房間外部圖 ................................. 25
圖3-2 百葉簾與玻璃配置圖 ............................. 26
圖3-3 1 號溫度計錄器測點配置圖 ........................ 28
圖3-4 2 號溫度計錄器測點配置圖 ........................ 28
圖3-5 電暖爐實物圖 ................................... 29
圖3-6 電暖爐加溫歷時圖-1 ............................. 30
圖3-7 電暖爐加溫歷時圖-2 ............................. 31
圖3-8 銲錫良好測頭圖 ................................. 31
圖3-9 數值模擬流程圖 ................................. 34
圖3-10 真實模型Gambit 模型圖 ......................... 35
圖3-11 含窗框模型Gambit 模型圖 ........................ 36
圖3-12 簡化電暖爐模型Gambit 模型圖 .................... 37
圖4-1 真實模型導入至Fluent 圖 ........................ 41
圖4-2 電暖爐加溫模擬圖 ............................... 41
圖4-3 真實模型模擬屋頂等溫線圖 ....................... 44
圖4-5 真實模型模擬與模擬比較圖-2 號溫度記錄器 ......... 46
圖4-6 空氣流入窗戶加溫示意圖 ......................... 47
圖4-7 窗框模型導入至Fluent 圖 ........................ 48
圖4-8 含窗框模型模擬屋頂等溫線圖 ..................... 49
圖4-9 含窗框模型模擬與模擬比較圖-1 號溫度記錄器 ....... 50
圖4-10 含窗框模型模擬與模擬比較圖-2 號溫度記錄器 ...... 51
圖4-11 簡化模型導入至Fluent 圖 ........................ 52
圖4-12 簡化電暖爐加溫模擬圖 .......................... 53
圖4-13 簡化模型模擬與模擬比較圖-1 號溫度記錄器 ........ 54
圖4-14 簡化模型模擬與模擬比較圖-2 號溫度記錄器 ........ 55
圖4-15 窗口外測點設置圖 .............................. 57
圖4-16 改良化模擬與模擬比較圖-1 號溫度記錄器 .......... 59
圖4-17 改良化模擬與模擬比較圖-2 號溫度記錄器 .......... 60
圖5-1 房間前方家具擺設圖 ............................. 61
圖5-2 房間後方家具擺設圖 ............................. 62
圖5-3 真實房間1 號溫度記錄器各測點配置 ............... 63
圖5-4 真實房間電暖器測點配置 ......................... 63
圖5-5 真實房間2 號溫度記錄器各測點配置 ............... 64
圖5-6 真實房間3 號溫度記錄器各測點配置 ............... 64
圖5-7 真實房間Gambit 模型 ............................ 65
圖5-8 k-ε RNG 模式設定圖 ............................. 67
圖5-8 選用方程式設定圖 ............................... 67
圖5-10 壁面熱通量設置穩態分析X 向切面溫度場 .......... 71
圖5-11 壁面熱通量設置穩態分析X 向切面速度場- ......... 71
圖5-12 壁面熱通量設置穩態分析Y 向切面溫度場 .......... 72
圖5-13 壁面熱通量設置穩態分析Y 向切面溫度場 .......... 72
圖5-14 壁面熱通量設置非穩態分析90 秒X 向切面溫度場 ... 73
圖5-15 壁面熱通量設置非穩態分析120 秒X 向切面溫度場 .. 73
圖5-16 壁面熱通量設置非穩態分析90 秒Y 向切面溫度場 ... 74
圖5-17 壁面熱通量設置非穩態分析120 秒Y 向切面溫度場 .. 74
圖5-18 壁面熱通量設置非穩態分析120 秒X 向切面速度場 .. 75
圖5-19 壁面熱通量設置非穩態分析120 秒Y 向切面速度場 .. 75
圖5-20 壁面溫度設置穩態分析X 向切面溫度場 ............ 77
圖5-21 壁面溫度設置穩態分析X 向切面速度場 ............ 78
圖5-22 壁面溫度設置穩態分析Y 向切面溫度場 ............ 78
圖5-23 壁面溫度設置穩態分析Y 向切面速度場 ............ 79
圖5-24 熱源加冷源穩態分析X 向切面溫度場 .............. 84
圖5-25 熱源加冷源穩態分析X 向切面速度場 .............. 84
圖5-26 熱源加冷源穩態分析Y 向切面溫度場 .............. 85
圖5-27 熱源加冷源穩態分析Y 向切面速度場 .............. 85
圖5-28 熱源加冷源非穩態分析90 秒X 向切面溫度場 ....... 86
圖5-29 熱源加冷源非穩態分析120 秒X 向切面溫度場 ...... 86
圖5-30 熱源加冷源非穩態分析90 秒Y 向切面溫度場 ....... 87
圖5-31 熱源加冷源非穩態分析120 秒Y 向切面溫度場 ...... 87
圖5-32 熱源加冷源非穩態分析120 秒X 向切面速度場 ...... 88
圖5-33 熱源加冷源非穩態分析120 秒Y 向切面速度場 ...... 88
圖5-34 熱源加冷源模擬冷氣流線圖 ...................... 89

表格目錄
表2-1 乾空氣方程式運算函數 ........................... 10
表2-2 飽和濕空氣方程式運算函數 ....................... 11
表2-3 溫度對空氣熱膨脹係數表 ......................... 11
表2-4 k-ε 紊流模式常數值 ............................. 20
表3-1 不同物質的導熱係數 ............................. 25
表3-2 試驗房間各牆面資料 ............................. 25
表3-3 TESTO 採用儀器表 ................................ 27
表3-4 熱電偶線故障表 ................................. 32
表3-5 窗戶內外溫度測量記錄 ........................... 36
表4-1 真實模型的模擬參數與邊界條件設定 ............... 42
表4-2 各測點座標表 ................................... 43
表4-3 不同天的窗外溫度與窗內溫度比較表 ............... 48
表4-5 改良化的模擬參數與邊界條件設定 ................. 57
表5-1 真實房間各測點座標表 ........................... 66
表5-2 純熱源模擬採用的空氣性質資料 ................... 67
表5-3 純熱源模擬熱通量設置各壁面參數設定表 ........... 68
表5-4 純熱源模擬溫度設置各壁面參數設定表 ............. 68
表5-5 純熱源模擬熱通量設置各測點測量與模擬資料 ....... 69
表5-6 純熱源模擬熱通量設置空間測點測量與模擬資料 ..... 70
表5-7 純熱源模擬溫度設置各測點測量與模擬資料 ......... 76
表5-8 純熱源模擬溫度設置空間測點測量與模擬資料 ....... 77
表5-9 熱源加冷源模擬採用的空氣性質資料 ............... 80
表5-10 熱源加冷源模擬各壁面參數設定表 ................. 81
表5-11 熱源加冷源模擬各測點測量與模擬資料 ............. 82
表5-12 熱源加冷源模擬設置空間測點測量與模擬資料 ....... 83
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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2012-07-30公開。
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