流態(tài)模型對小型太陽能煙囪流場特性影響分析

摘要：在小型太陽能煙囪（SC）的數(shù)值模擬計(jì)算中，選取不同流態(tài)模型（層流、湍流或轉(zhuǎn)擯）計(jì)算結(jié)果不同。該文使用光線追蹤和環(huán)境側(cè)風(fēng)模擬，對不同流態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對比分析計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：不同時(shí)刻轉(zhuǎn)擯模型下流體湍流強(qiáng)度、受環(huán)境側(cè)風(fēng)擾動程度與層流模型、湍流模型相比更小，在計(jì)算中使用轉(zhuǎn)擯模型更準(zhǔn)確，為小型SC流場模擬計(jì)算的模型選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能煙囪；轉(zhuǎn)擯流；熱分析；數(shù)值分析

中圖分類號：TK513.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著化石燃料為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)改革推進(jìn)，太陽能熱利用技術(shù)研究逐漸深入。其中太陽能煙囪（solar chimney，SC）具有清潔無害、能量來源可靠、系統(tǒng)簡易等優(yōu)點(diǎn)。SC利用太陽輻照加熱集熱棚內(nèi)空氣，在煙囪效應(yīng)作用下將熱空氣循環(huán)吸入排出，在發(fā)電、建筑通風(fēng)、海水淡化和農(nóng)業(yè)種植等應(yīng)用中具有較大潛力。

目前對太陽能煙囪進(jìn)行的研究包括SC的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流動特性分析等方向。結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究如針對集散式SC的新型喇叭形進(jìn)氣口1和將建筑通風(fēng)技術(shù)與相變熱存儲技術(shù)相結(jié)合的太陽能熱水器[2等一定程度上改善了SC內(nèi)部流動特性和熱性能。流動特性分析研究方面，黃明華等[3提出考慮系統(tǒng)不可逆損失的太陽能煙囪電站（SCPP）理論分析模型，研究幾何參數(shù)和輸出功率之間關(guān)系，對西班牙曼薩雷斯SCPP原型電站進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提高輸出功率；明廷臻等4對集熱棚、煙囪以及多孔蓄熱層的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)建立傳熱與流體數(shù)學(xué)模型，獲得隨太陽輻射增強(qiáng)氣流塔底部流體壓力、流速、空氣溫升等參數(shù)變化規(guī)律。

數(shù)值模擬計(jì)算中系統(tǒng)內(nèi)流體流動模型的選取影響數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性、均勻性和真實(shí)性。近年來針對于小型太陽能煙囪的國內(nèi)外數(shù)值模擬研究中，大部分研究都將裝置內(nèi)流場狀態(tài)看作完全湍流。而SC中氣流受到環(huán)境側(cè)風(fēng)影響在進(jìn)入集熱棚前后速度和壓力等參數(shù)都會發(fā)生變化，如王靜文等[5發(fā)現(xiàn)對于小型SC裝置環(huán)境側(cè)風(fēng)等其他外界擾動都會影響SC集熱性能；鄒政等[6發(fā)現(xiàn)環(huán)境側(cè)風(fēng)小于15 m/s時(shí)SC系統(tǒng)性能下降，大于15 m/s性能上升；周新平等7研究發(fā)現(xiàn)小型SC系統(tǒng)的自發(fā)電容量隨環(huán)境側(cè)風(fēng)速度的增加而減小。除環(huán)境側(cè)風(fēng)影響，內(nèi)部流場受邊界粗糙度等因素影響形成半受迫流動，因此需根據(jù)實(shí)際情況判斷流場狀態(tài)，在數(shù)值計(jì)算時(shí)選用與實(shí)際流態(tài)更相近的流動模型。

本文對小型SC模型不同位置特征長度計(jì)算雷諾數(shù)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)部流場各部分存在層流和湍流兩種流態(tài)，流動過程存在轉(zhuǎn)擯現(xiàn)象。本文在開啟太陽光線追蹤模擬不同工況太陽光線照射基礎(chǔ)上，建立SC外空氣域，模擬研究環(huán)境側(cè)風(fēng)對系統(tǒng)性能的影響，計(jì)算不同流態(tài)模型（層流、湍流和轉(zhuǎn)擯）的流場數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析集熱系統(tǒng)內(nèi)蓄熱層表面溫度場和速度場分布情況，對比不同流態(tài)模型條件蓄熱層表面溫度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，獲得與本文使用的小型SC流場計(jì)算更匹配的流態(tài)模型。

1流動狀態(tài)判定

雷諾數(shù)是判定流體流態(tài)的重要指標(biāo)。通過雷諾數(shù)判定流體在流場中流動狀態(tài)時(shí)，一般選擇具有代表意義的幾何尺寸作為特征長度。使用SC模型如圖1所示，模型各部分尺寸如表1所示。以傳統(tǒng)太陽能煙囪結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集熱棚傾角根據(jù)聶晶等8在呼和浩特地區(qū)對SC在不同集熱棚傾角的蓄熱層集熱特性進(jìn)行的試驗(yàn)確定使用10°傾角作為模型傾角。

無量綱數(shù)如瑞利數(shù)可作為流態(tài)判斷的標(biāo)準(zhǔn)[9]，但一般情況下瑞利數(shù)用于判斷熱傳導(dǎo)和熱對流，使用雷諾數(shù)進(jìn)行流態(tài)判斷更通識。因此本文根據(jù)流場不同位置對應(yīng)的特征長度等參數(shù)計(jì)算雷諾數(shù)（Re）判斷流動狀態(tài)。如式（1）和式（2）所示。以圓管流動為例，當(dāng)Re≤2300時(shí)流動狀態(tài)為層流，Regt;4000時(shí)流動狀態(tài)為湍流，非圓管臨界雷諾數(shù)計(jì)算采用當(dāng)量直徑。本文以集熱棚入口高度為特征長度計(jì)算雷諾數(shù)為層流流態(tài)，以集熱棚直徑或煙囪高度計(jì)算雷諾數(shù)為湍流流態(tài)，判斷在流動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)擯現(xiàn)象。

式中：p——空氣密度，kg/m3;v——空氣流速，m/s;Da——特征長度，m;μ——動力黏度，mPa·s;A——過流截面積，m2;P——濕周長度，m。

2網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證和邊界條件

在保證質(zhì)量的前提下使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，在集熱棚入口以及集熱棚邊界處對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以提高計(jì)算精準(zhǔn)度。通過Fluent Meshing修改SC局部尺寸，得到2012667、1288804、932156和561236這4種網(wǎng)格數(shù)，開啟光線追蹤模型模擬7月19日15：00工況，采用層流模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，對比不同網(wǎng)格數(shù)收斂后蓄熱層表面平均溫度和煙囪入口中心速度。

如圖2所示，蓄熱層表面平均溫度和煙囪入口中心速度受到網(wǎng)格數(shù)量的影響，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為1288804和2012667時(shí)，蓄熱層表面平均溫度相差0.2%，煙囪入口中心速度相差1.6%，表明網(wǎng)格數(shù)增大到一定程度對計(jì)算結(jié)果的波動趨于平緩。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源，以保證準(zhǔn)確計(jì)算為前提選擇網(wǎng)格數(shù)1288804?？諝庥蛟O(shè)置為5m×5m×5m立方體空氣域，SC模型位于空氣域底部中心。設(shè)置空氣域垂直Z軸正方向面為速度入口，底面設(shè)置為墻體，其他面設(shè)置為相對壓力為0 Pa的壓力出口。其中使用的模擬環(huán)境側(cè)風(fēng)風(fēng)速13：00時(shí)為

3計(jì)算方法

3.1流動模型

開啟Boussinesq模型計(jì)算動量方程中浮力項(xiàng)。模型表達(dá)式如式（3）所示。

式中：p——環(huán)境條件下流體的密度，kg/m3;T?！h(huán)境條件下流體的溫度，k;β——熱膨脹系數(shù)，℃-1。

流動模型根據(jù)局部邊界層動量厚度雷諾數(shù)Rea輸運(yùn)方程與SST k-w湍流模型耦合得到，其中間歇因子γ控制流態(tài)模型由層流向湍流轉(zhuǎn)擯的過程，關(guān)于間歇因子γ的輸運(yùn)方程如式（4）所示。

式中：γ——間歇因子，控制流態(tài)變化；P、E、P？、E？—轉(zhuǎn)擯源項(xiàng)。

模型流態(tài)由間歇因子γ控制，y=0時(shí)方程表示層流模型，0lt;γlt;1時(shí)表示轉(zhuǎn)擯模型，γ=1表示湍流模型，與SSTk-w湍流方程一致。局部邊界層動量厚度雷諾數(shù)Rea輸運(yùn)方程如式（5）所示。

式中：Re——局部轉(zhuǎn)擯雷諾數(shù)；μ——流體動力黏度。

3.2模擬假設(shè)

為簡化模擬計(jì)算，對SC系統(tǒng)做出如下假設(shè)：

1）假設(shè)集熱系統(tǒng)內(nèi)部空氣對外界無輻射熱損失；

2）忽略煙囪壁面散熱損失；

3）SC內(nèi)熱量全部來自于太陽輻照。

3.3輻射模型設(shè)置

太陽光線追蹤計(jì)算器是一種太陽載荷模型，通過預(yù)設(shè)經(jīng)緯度、時(shí)區(qū)和時(shí)間模擬太陽光線照射分布?？紤]輻射計(jì)算對小尺度向大尺度轉(zhuǎn)變過程中輻射量的變化較為敏感，選擇DO輻射模型對SC進(jìn)行模擬計(jì)算。輻射模型光線追蹤位置和時(shí)間設(shè)置與試驗(yàn)條件相同。

4試驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在呼和浩特市建立同尺寸小型太陽能煙囪試驗(yàn)臺8]，如圖3所示，煙囪高2.5m，直徑0.12 m，集熱棚直徑4 m，傾角為10°。通過由PT100鉑電阻貼片溫度傳感器和TOPRIE TP-700多通道數(shù)采儀組成的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量蓄熱層表面溫度，測溫裝置每5秒測量一次數(shù)據(jù)，選取測量平均值作為選取時(shí)刻工況的代表值。溫度測點(diǎn)在蓄熱層上以八等分線等距分布。試驗(yàn)時(shí)間選擇呼和浩特地區(qū)光照較強(qiáng)的7月份，選取晴朗、少云日期作為數(shù)據(jù)提取日。在7月19日全天測量數(shù)據(jù)中選取太陽高度角不同的13：00和15：00工況進(jìn)行測試。圖4為所選試驗(yàn)日期的太陽輻照度和平均環(huán)境溫度隨時(shí)間變化情況。

5流動模型分析

5.1層流模型

通過光線追蹤求解器模擬7月19日13：00和15：00太陽光照分布，兩種工況下不同模型蓄熱層表面溫度分布如圖5～圖7所示，圖中Z方向?yàn)檠b置北側(cè)，-X方向?yàn)檠b置東側(cè)，環(huán)境側(cè)風(fēng)沿Z軸負(fù)方向從空氣域入口流入SC內(nèi)部。層流模型下蓄熱層表面溫度分布如圖5所示?？煽闯觯瑢恿髂Ｐ托顭釋颖砻鏈囟瘸尸F(xiàn)不規(guī)則條狀分布，其中蓄熱層表面空氣流經(jīng)位置溫度較低，其余位置溫度較高。3種模型中層流模型受側(cè)風(fēng)影響最大。由于層流模型下空氣流動受邊界層影響較小，因此層流模型下SC內(nèi)部溫度場基本由環(huán)境側(cè)風(fēng)主導(dǎo)。

5.2湍流模型（RNG k-ε模型）

湍流模型中蓄熱層表面溫度受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響沿風(fēng)向呈平滑分布，如圖6所示。與層流模型的雜亂分布不同，湍流模型蓄熱層表面溫度分布更均勻，蓄熱層表面高低溫區(qū)域過渡平緩。湍流模型在渦旋和湍流場作用下，抵消了一部分環(huán)境側(cè)風(fēng)帶來的擾動，流場較穩(wěn)定；環(huán)境側(cè)風(fēng)對湍流模型中流場也存在一定影響，蓄熱層表面高溫區(qū)域?yàn)榫鶆驐l狀分布，相比于層流模型高溫區(qū)域沒有發(fā)生較大發(fā)散情況，表明湍流模型集熱棚內(nèi)流場在湍流場和環(huán)境側(cè)風(fēng)共同影響下達(dá)到平衡。

5.3轉(zhuǎn)擯模型（Transition SST模型）

在局部雷諾數(shù)和間歇因子耦合作用下轉(zhuǎn)擯模型中過渡邊界層上會發(fā)生從層流向湍流轉(zhuǎn)擯，或從湍流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變的逆轉(zhuǎn)擯現(xiàn)象。以平板流動為例，流體自由來流到達(dá)平板前緣在粘度和過渡邊界層的作用下，將轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢螌恿鳎ㄩg歇因子γ=0），在經(jīng)過過渡區(qū)域（0lt;γlt;1）后發(fā)展為完全湍流（γ=1）。由于集熱棚入口流動并非自由邊界平板流動，自由來流在進(jìn)入SC時(shí)過流斷面減小，流速增大，使蓄熱層表面前緣產(chǎn)生的層流區(qū)域變短，進(jìn)入由局部雷諾數(shù)和間歇因子控制的過渡區(qū)域；之后過流斷面增大，產(chǎn)生逆壓強(qiáng)梯度，過渡后發(fā)展為完全湍流。

轉(zhuǎn)擯模型中蓄熱層表面溫度分布如圖7所示。不同于湍流模型條件下完全湍流流場，轉(zhuǎn)擯模型中空氣經(jīng)過集熱棚入口過渡段后湍流強(qiáng)度較高形成渦旋，之后一部分空氣分流進(jìn)入煙囪，沿?zé)焽枞肟赯軸負(fù)方向蓄熱層表面溫度分布更加均勻，受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響更小，無明顯的高低溫條狀分區(qū)。轉(zhuǎn)擯模型中蓄熱層溫度分布能明顯觀察到，在Z軸正方向煙囪入口周圍存在Ω形高溫區(qū)域。在煙囪入口附近渦旋和煙囪抽吸作用下，部分空氣流入煙囪，蓄熱層中心Z軸正方向區(qū)域空氣流速降低，與蓄熱層表面換熱程度減小，在環(huán)境側(cè)風(fēng)影響下形成繞中心的Ω形高溫區(qū)。

在集熱棚入口附近的集熱棚內(nèi)壁和蓄熱層表面存在流動邊界層，靠近入口的邊界層段在轉(zhuǎn)擯模型條件中轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡邊界層，在過渡邊界層作用下空氣轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡流，湍流強(qiáng)度發(fā)生下降，然后繼續(xù)發(fā)展為湍流。轉(zhuǎn)擯模型中集熱棚入口后空氣湍流強(qiáng)度高于湍流模型，在空氣流動過程中集熱棚內(nèi)壁和蓄熱層表面空氣湍流強(qiáng)度均大于湍流模型，空氣湍流耗散較小，使轉(zhuǎn)擯模型中氣流在靠近集熱棚入口的集熱棚內(nèi)壁位置產(chǎn)生渦旋，如圖8所示。需注意的是，由于目前還無公認(rèn)的渦旋產(chǎn)生判據(jù)，且渦旋產(chǎn)生受到多種因素影響，因此空氣湍流耗散率只能作為解釋渦旋現(xiàn)象的依據(jù)，不能作為判斷渦旋是否產(chǎn)生的條件。

5.4太陽高度角對蓄熱層溫度分布影響

13：00—15：00工況太陽高度角逐漸降低，太陽高度角較大工況下蓄熱層表面溫度值更高。受高度角影響，蓄熱層表面陰影隨太陽高度角減小而向太陽運(yùn)動反方向移動，陰影長度逐漸減小。如圖7b所示，從來流方向可觀察蓄熱層周邊的低溫區(qū)域（蓄熱層Z軸正方向），太陽從SC西南向西方向運(yùn)動且高度角減小的過程中，距離太陽較近的一側(cè)產(chǎn)生的高溫區(qū)域從蓄熱層Z軸負(fù)方向邊界向X軸正方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)擯模型中蓄熱層表面形成的Ω形高溫區(qū)域也向X軸正方向運(yùn)動。

6數(shù)據(jù)分析

6.1蓄熱層表面沿直徑方向速度分布

13：00和15：00工況下3種模型中SC蓄熱層上方0.05 m（入口高度的1/2）區(qū)域沿蓄熱層直徑的速度分布如圖9和圖10所示。圖中的速度值為矢量，與來流方向一致的速度為正，反向?yàn)樨?fù)，由于環(huán)境側(cè)風(fēng)影響SC內(nèi)空氣流向與風(fēng)向相同，與理想無風(fēng)條件系統(tǒng)兩側(cè)都有流體進(jìn)入情況不同，因此速度值均為正值。

13：00工況沿蓄熱層直徑速度分布如圖9a所示，來流方向?yàn)闄M坐標(biāo)正方向，0點(diǎn)為蓄熱層幾何中心點(diǎn)。從圖中可觀察到，從SC入口位置沿Z軸負(fù)方向距蓄熱層中心1 m處，3種模型中沿蓄熱層直徑方向空氣的速度值及速度變化趨勢基本相同，經(jīng)過煙囪底部入口后流體有短暫的加速過程，這是由于流體經(jīng)過集熱棚入口過流斷面減小，速度增大；流入SC后過流斷面增大，產(chǎn)生逆壓力梯度，系統(tǒng)內(nèi)壓強(qiáng)增大，空氣流速在入口處短暫加速后速度降低。13：00工況太陽高度角較大，太陽輻射對SC的換熱效果更為明顯。轉(zhuǎn)擯模型中由于邊界層分離產(chǎn)生的渦流位置在空氣流入煙囪底部入口位置前端，在渦流作用下流入煙囪空氣流量更大，導(dǎo)致蓄熱層上方空氣流速下降幅度最大。

15：00工況不同流態(tài)模型中沿直徑流體速度分布趨勢如圖10所示。15：00時(shí)太陽高度角降低，3種模型中蓄熱層表面受到太陽輻照而導(dǎo)致的換熱量降低，3種模型沿直徑方向空氣平均速度減小。在模擬計(jì)算中13：00和15：00工況環(huán)境側(cè)風(fēng)分別為4.4和2.78 m/s，15：00工況環(huán)境側(cè)風(fēng)較小，受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響最大的層流模型速度波動較小。因此層流模型與13：00工況相比速度分布更平穩(wěn)。湍流和轉(zhuǎn)擯模型趨勢與13：00工況類似，湍流模型速度值較大；3種模型速度先減小后增大，由于空氣運(yùn)動到系統(tǒng)右半部分后過流截面積逐漸減小，使空氣流速增大。

相同環(huán)境側(cè)風(fēng)和太陽輻照度條件下，蓄熱層表面溫度分布在不同流態(tài)模型數(shù)值模擬下結(jié)果不同。根據(jù)系統(tǒng)特征長度確定雷諾數(shù)，選擇相應(yīng)流態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，將試驗(yàn)測試結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證分析。

選取2021年7月19日13：00蓄熱層測點(diǎn)溫度作為代表數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其中熱電偶測溫儀器每5秒測量一次數(shù)據(jù)，選取多次測量結(jié)果剔除壞點(diǎn)溫度值后所得平均值，作為試驗(yàn)代表數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。如圖10所示，環(huán)境側(cè)風(fēng)和太陽輻照共同作用下，集熱棚內(nèi)空氣溫度梯度變化明顯，導(dǎo)致蓄熱層和集熱棚材料對溫度變化敏感度出現(xiàn)滯后，但在數(shù)值模擬中未考慮材料問題導(dǎo)致的溫度變化滯后性，因此在流場較穩(wěn)定的前提下轉(zhuǎn)擯模型和湍流模型相對于層流模型測點(diǎn)溫度波動更??；SC系統(tǒng)在層流模型條件下蓄熱層各處測點(diǎn)溫度分布不均勻，波動較大。由于層流模型中流場主要受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響，導(dǎo)致SC內(nèi)部流場發(fā)生劇烈擾動，從蓄熱層表面溫度分布可看出，蓄熱層與空氣換熱不均勻，導(dǎo)致測點(diǎn)溫度發(fā)生波動。

SC系統(tǒng)在湍流和轉(zhuǎn)擯模型條件中蓄熱層測點(diǎn)溫度波動相對較小，轉(zhuǎn)擯模型數(shù)據(jù)溫度極大值測點(diǎn)位于Ω形區(qū)域，蓄熱層表面測點(diǎn)平均溫度高于湍流模型蓄熱層表面測點(diǎn)溫度。轉(zhuǎn)擯模型中流場在渦旋作用下進(jìn)入煙囪的質(zhì)量流量更多，剩余部分空氣速度降至3種模型對應(yīng)的速度值最低點(diǎn)，空氣與蓄熱層換熱量更少，蓄熱層表面溫度相比于湍流模型更高。

根據(jù)試驗(yàn)測點(diǎn)溫度與模擬溫度平均值誤差計(jì)算得出，層流模型在3種工況下的平均誤差最小，為-6.80%，轉(zhuǎn)擯模型次之，為-6.70%，湍流模型最大，為-7.90%。但層流模型數(shù)據(jù)波動較大，不具備參考意義。從以上工況中分析可看到，層流、湍流和轉(zhuǎn)擯模型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中，蓄熱層表面溫度與試驗(yàn)測試值存在一定誤差，這是由于試驗(yàn)中蓄熱材料蓄熱性能導(dǎo)致裝置的溫度變化具有滯后性。

7結(jié)論

本文通過SC系統(tǒng)選取不同特征長度確定雷諾數(shù)進(jìn)行流態(tài)判定，比較流場不同流動狀態(tài)（層流、湍流和轉(zhuǎn)擯），在考慮光線追蹤和環(huán)境側(cè)風(fēng)的條件下對層流、湍流和轉(zhuǎn)擯3種流態(tài)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，與相同工況下的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明：

1）環(huán)境側(cè)風(fēng)對層流模型計(jì)算準(zhǔn)確性影響最大，湍流模型次之，轉(zhuǎn)擯模型影響最小。由于轉(zhuǎn)擯模型過渡邊界層的存在，在光線追蹤模型太陽輻照影響下，轉(zhuǎn)擯模型流場更均勻穩(wěn)定。

2）空氣流入SC后由于過流截面積增大，在入口附近產(chǎn)生逆壓強(qiáng)梯度，湍流模型在入口處產(chǎn)生小渦后耗散程度大于轉(zhuǎn)擯模型，轉(zhuǎn)擯模型在經(jīng)過過渡邊界層后開始分離，導(dǎo)致兩種模型下產(chǎn)生渦旋的位置和環(huán)境側(cè)風(fēng)對流場的擾動程度發(fā)生差異。

3）3種模型蓄熱層表面測點(diǎn)溫度與試驗(yàn)值的對比中，層流模型受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響波動最大，趨勢無明顯規(guī)律，實(shí)際流動過程中層流現(xiàn)象僅存在于流動入口處，涉及范圍較小，在誤差分析中不具備參考意義；湍流模型和轉(zhuǎn)擯模型趨勢大致相同，轉(zhuǎn)擯模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差更小，與實(shí)際流動中的蓄熱層溫度變化最接近，在本研究中使用轉(zhuǎn)擯模型更準(zhǔn)確。

通過對轉(zhuǎn)擯模型和其他兩種模型計(jì)算得到的蓄熱層溫度、速度分布進(jìn)行比較，分析其中的物理規(guī)律是否符合實(shí)際，與試驗(yàn)真實(shí)值是否存在較大差異。結(jié)果表明在本文所確定的SC流場分析中使用轉(zhuǎn)擯模型與實(shí)際情況更接近。需注意的是，在本文使用的小型SC裝置中使用轉(zhuǎn)擯模型的結(jié)果與試驗(yàn)測試組情況接近，但對于大型商用SCPP裝置或其他形狀尺寸的SC裝置的數(shù)值模擬，還需判斷邊界層、局部雷諾數(shù)以及是否具有其他環(huán)境參數(shù)（如環(huán)境側(cè)風(fēng)）等因素對流場產(chǎn)生的影響，通過計(jì)算分析選用可靠流態(tài)模型，得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

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ANALYSIS OF INFLUENCE OF FLOWMODEL ON FLOW FIELDCHARACTERISTICS OF SMALL SOLAR CHIMNEY

Nie Jing1，2，Su Hao1，Jia Jing1，Gao Hong1，2，Yan Suying1，2，Xu Jinchen1

（1.School of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China;

2.InnerMongolia Key Laboratory of Renewable Energy，Hohhot 010051，China）

Abstract：In the numerical simulation calculation of small solar chimney （SC），different flow modes （laminar flow，turbulenceortransition）are selected to obtain different calculation results.Inthis paper，ray tracing and environmental crosswind simulation are usedto numerically simulate different flow models，and the calculated results and test data are compared and analyzed.The results show thatthe intensity of fluid turbulence and the degree of ambient crosswind disturbance under the transition model at different times are smallerthan those of laminar flow model and turbulence model，so it is more accurate to use the transition model in calculation，whichprovidesa reference for the model selection of small SC flow field simulation calculation.

Keywords：solarchimneys;transitionflow;thermoanalysis;numerical analysis