建造环境课题组在中科院SCI一区期刊 Buildings and Environment（JCR Q1 IF 7.4）上发表了关于工业厂房中高瑞利数自然对流的PIV实验研究的研究论文。

题目: 工业厂房中高瑞利数自然对流的PIV实验研究（https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.111460）该研究获得国家自然科学基金项目资助

作者：刘进宇，刘俊杰，李佳钰（通讯作者）

研究亮点：

1.高瑞利数下的热羽流流场进行了二维粒子图像测速（2D-PIV）研究。

2.POD分析表明中心区域的湍流强度波动较大，侧壁面上有一个准有序的结构

3得出了在Pr=0.7时，Ra和Re之间的关系，并将其与其他不同的Pr值进行了比较。

摘要：工业建筑中的高热负荷可能会形成强烈的自然对流。这些流动表现出明显的不稳定性和各向异性，这可能会对室内空气分布产生深远影响。为了研究高大空间中热对流的特点，建立了一个具有可控热边界的透明封闭空间流场测试台。在工业建筑中典型的、以瑞利数（Ra = 3 × 10^10、6 × 10^10 和 1 × 10^11）表示的三种不同热源强度下，使用二维粒子图像测速法（PIV），通过拼接十六个子区域（每个子区域以3Hz的频率采样800个瞬时流场）来捕捉大规模对流。结果表明，对流呈现出大尺度的循环流动模式。随着Ra数的增加，靠近墙壁的速度逐渐增加，而中心的速度仍然较低。靠近墙壁的湍流强度小于1，而中心的湍流强度大于5且波动较大。在高Ra下，气流的主导波动频率为0.1Hz。通过适当的正交分解，发现即使是水平流动，主要的瞬态波动仍然表现出上下波动的流动结构。此外，速度结构函数的计算表明，靠近墙壁的气流是各向异性的，而中心的气流是各向同性的。由垂直温差产生的自然对流雷诺数与瑞利数呈幂函数关系，这项研究为工业建筑中空气分布设计的优化提供了依据。

背景：

随着社会的进步，人们对建筑物的热环境和室内空气质量要求提高。工业建筑中的多种热源导致高热量负荷和废热积累，形成热羽流，影响污染物传输和通风效果。在工厂环境中，管理废热尽快排除尤为重要，热羽流可能加剧空气中粉尘和其他污染物的扩散，对人类健康和设备造成风险。瑞利数是评估热羽流强度的关键，其大小与热羽流的强度和不稳定性成正比。认识热羽流的模式和机制对工业厂房至关重要，热羽流的瞬态和不稳定性质可能导致通风不足或过度，影响室内环境质量。设计有效的通风和空调系统可提高能源效率和工作环境质量，需要综合考虑实际工业环境中的多种因素，以优化建筑物的热环境和室内空气质量。

本文研究了工业厂房中高瑞利数（Ra）条件下的流动特性，构建了一个具有大面积高强度热源的透明封闭空间平台，该平台采用透明聚碳酸酯板建造，平台尺寸长×宽×高：2m×1m×2.8m。通过循环冷却水精确控制顶板温度，确保温度均匀性。底板由硅胶加热垫加热。实验平台置于恒温室内，以维持稳定环境。采用2D-PIV系统捕捉热羽流流动，测量频率为3Hz，利用BeamTech激光器和高分辨率CCD相机记录粒子图像。流场被划分为16个子区域，每个子区域以3Hz的频率采样800个瞬时流场，并通过精确拼接获得全尺寸流场结果。

图1 实验平台及测试方法

基于这些数据，分析了平均速度场和速度波动特性，深入探讨了热源区域上边界对室内流动的影响。通过本征正交分解（POD）方法，识别了流场中的主要脉动结构，并定量分析了热羽流的尺度和各向异性。这些发现有助于深入理解高瑞利数条件下的流动行为，并为工业厂房的通风设计和优化提供了有价值的参考。

主要成果：

1.强大的热羽流在室内引发了大范围的顺时针循环。当工厂设备的热源强度高且覆盖面积大时，便会出现此现象。在浮力作用下，羽流垂直移动，驱动周围流体反向运动形成涡流，进而产生水平流动。流场中有三个特征区域：中心的低速区、墙壁上的高速区和墙壁角落的低速区。热羽流强度的增加将主导室内气流并增强室内环境的混合。

图2 热羽流流场测量结果

2.壁面中心处呈现高湍流度而侧壁处呈现低湍流强度。 

图3 湍流强度

3. 本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)结果显示模态一有更多的能量并占据主导地位。通过模态分解得到了不同区域的波动形式，纵向波动是主要波动。

（a）模态能量分布

（b）POD典型模态结构

图4 POD结果分析

4.给出了Ra与Re之间的关系，并与其他Pr下的结果进行对比。

图4 不同Ra热羽流强度

结论：1.气流呈现出大规模循环分布，而非孤立的上升羽流流动模式。随着瑞利数（Ra）的增加，地板和侧壁附近的气流速度明显增加。

      2. 在房间的中心区域，气流速度始终保持较低，而湍流度随着Ra的增加而持续增加。

      3.通过正交分解（POD）分析，结果显示了代表流动结构的准有序结构。尽管存在水平和垂直的平均流动模式，但主导能量的瞬态结构是纵向波动，会强化污染物的传播，使污染物能够被传播到更远的距离，房间内的污染物浓度分布更加均匀。

      4. 热羽流流体的特性可由雷诺数（Re）描述，出了不同物性参数下瑞利数与雷诺数之间的关系。

引用格式：Liu J, Liu J, Li J. PIV experimental study on natural convective flows at high Rayleigh numbers in industrial buildings[J]. Building and Environment, 2024: 111460.

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360132324003020?via%3Dihub

稿件编辑：刘进宇

审核人：刘俊杰

田媛

于欣宇