采用管排自然对流换热的照明实验室传热与流场的研究
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摘 要
我国资源高消耗、浪费大、环境污染严重等问题依然存在，因而积极开发节
能、环保型产品是国内企业、高校等的研究重点。而目前，我国电力紧缺，特别
是夏季用电尖峰时节的用电瓶颈问题突出。虽然照明用电相比空调用电，占总发
电量比重相对较小，但据统计，目前我国照明用电量占到总发电量的 13％～15％
左右。本课题关注于电光源和灯具的测试与实验系统的建设，重点在于采用自然
对流换热的方式控制环境温度，开发一套新型完整的灯具实验系统，用于灯具的
耐久性测试，为节能型电光源和灯具的开发提供测试条件。
本课题在 1.0E3≤Ra≤4.0E4 范围内，采用数值模拟的方法研究了自由空间内
单根横掠圆管自然对流换热的情况，获得了其温度场、速度场分布，并在研究范
围内拟合出换热准则关联式，其结果与前人的研究结果较好地吻合。从而采用相
同的研究方法着重分析了两种类型的单侧受限管排自然对流换热情况，获得了流
场分布以及通过不同参数组合的多组数值模拟，拟合出了管排的换热准则关联式。
在对单侧管排自然对流换热数值计算研究的理论基础上，本课题将受限管排
应用于实际工程应用中，完成了新型的灯具耐久性实验室的搭建。通过三维数值
模拟软件 Airpak 以及实验相结合的方法，本文对灯具耐久性实验室的环境模拟室
内温度场、速度场进行了数值计算与实测分析和对比，对数值计算模型进行了验
证。结果表明，管排换热对室内温、速度场的均匀性的控制完全能够满足国家标
准《灯具一般安全要求与试验》（GB7000.1-2002）中对灯具耐久性实验环境的规
定要求。
关键词：自然对流 管排 数值计算 灯具耐久性实验
ABSTRACT
Energy using efficiency, saving and natural environment protection is the main
problem of our nation.So our enterprise and university are all dedicating in designing of
energy saving and environment friendly productions. And now, as well know, electricity
is very short of in our country, especially in summer. Although, looking from the all
electricity enenrgy production,it using in lighting takes up no more then using in air
conditioning, it also holds a per centum of 13 to 15 according to related statistics.This
paper works at testing system construction for lamp, stressing on designing of a new
type lamp lab meeting the need of endurance testing.And the key point is that air natural
convection is introduced to this testing system.
This paper has researched air natural convection around single horizontal tube in
open space using numerical simulation method when the Ra value is in the range of
1.0E3 to 4.0E4, obtained its temperature and velocity distribution.And heat exchange
related formula using to calculate the Nusselt number is presented basing on mulit-datas,
and the calculation result is very perfect comparing to existed formulas summed up by
forerunners. And then, basing on the same numerical simulation method, a series of
simulation calculation has been carried out with two types of one-side limited tube
arrays, also its heat exchange related formula is presented respectively through hundreds
of results getting from different parameter combination.
With the academic researching of one-side limited tube arrays, they have been used
in an actual engineering application, a new type of lamp endurance testing lab have
been completed.Making use of a 3D software, Airpak, the temperature and velocity
distribution is predicted in the testing room with different normal situations.And the
followed experiment results validated the simulation calculating model.The result
gained from actual testing and simulation with the same setting is representing very
similar distribution. And both of them satisfy the prescribe of thermal environment
requests for lamp endurance test in National Standard GB7000.1-2002, General Safety
Requirements and Tests for Luminaries.
Key Words: natural convection, tube arrays, numerical simulation,
lamp endurance testing lab
1
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论................................................................................................... 1
§1.1 课题提出的背景及意义.......................................................................1
§1.2 国内外发展现状...................................................................................2
§1.3 CFD 技术在室内热环境研究中的应用..............................................2
§1.4 本文主要研究内容...............................................................................3
第 二 章 数值模拟理论基础............................................................................. 5
§2.1 流动基本方程.......................................................................................5
§2.1.1 二维坐标系......................................................................................5
§2.1.2 三维坐标系......................................................................................6
§2.2 湍流模型...............................................................................................7
§2.2.1 时均模型..........................................................................................8
§2.2.2 时均模型下的控制方程..................................................................9
§2.2.3 湍流粘性系数法............................................................................10
§2.2.4 室内零方程模型............................................................................11
§2.2.5 标准 k
－ε
两方程模型................................................................. 11
§2.3 CFD 的数值解法................................................................................12
§2.4 布西涅斯克假设（Boussinesq）...................................................... 12
第 三 章 横掠圆管自然对流换热的数值研究............................................... 15
§3.1 Fluent 软件介绍 ................................................................................. 15
§3.2 计算几何模型及网格划分.................................................................15
§3.3 数值研究方法.....................................................................................16
§3.4 数值计算结果与分析.........................................................................17
§3.4.1 温度与速度分布............................................................................17
§3.4.2 平均换热 Nu 数的比较 .................................................................18
§3.5 本章结论.............................................................................................21
第 四 章 单侧受限管排自然对流的数值研究............................................... 23
§4.1 计算几何模型及网格划分.................................................................23
§4.2 数值研究方法.....................................................................................24
§4.3 顶端受限双层管排数值计算结果与分析.........................................24
§4.4 单侧面受限单列管排数值计算结果与分析.....................................30
2
§4.5 本章小结.............................................................................................35
第 五 章 管排自然对流换热工程应用的数值模拟研究............................... 37
§5.1 灯具耐久性实验室初步设计.............................................................37
§5.1.1 耐久性实验室设计要求................................................................37
§5.1.2 环境模拟室及管排设计................................................................37
§5.1.3 管排换热量校核............................................................................39
§5.2 Airpak 数值模拟软件介绍 ................................................................ 40
§5.3 数值模拟设置.....................................................................................41
§5.3.1 灯具发光发热简化模型................................................................41
§5.3.2 网格划分........................................................................................44
§5.3.3 参数设置........................................................................................45
§5.4 数值模拟结果及分析.........................................................................46
§5.4.1 模拟计算模型的比较....................................................................46
§5.4.2 环境模拟室内温度场、速度场分析............................................48
§5.5 本章小结.............................................................................................49
第 六 章 灯具耐久性实验室内流场的实验研究........................................... 51
§6.1 实验室介绍.........................................................................................51
§6.1.1 实验室概况....................................................................................51
§6.1.2 环境模拟室内管排布置................................................................52
§6.1.3 冷冻水系统....................................................................................52
§6.1.4 冷源................................................................................................53
§6.1.5 电气控制系统................................................................................53
§6.1.6 实验室辅助设备............................................................................53
§6.1.7 环境模拟室的温度控制策略........................................................54
§6.1.8 冷冻水箱水温控制策略................................................................55
§6.2 数据测量系统.....................................................................................55
§6.2.1 空气温度测量装置........................................................................55
§6.2.2 空气流速测量装置........................................................................55
§6.2.3 其它测量装置................................................................................56
§6.2.4 数据采集系统................................................................................56
§6.3 环境模拟室漏热量实验.....................................................................58
§6.4 环境模拟室内温度场及速度场的测试.............................................60
§6.4.1 测点及实验用灯具布置................................................................60
3
§6.4.2 不同控制策略下温度场分析........................................................61
§6.4.3 标准控制温度下水平温度场分析................................................62
§6.4.4 不同控制温度下温度场分析........................................................63
§6.4.5 不同灯具位置下温度场分析........................................................64
§6.4.6 最不利实验条件下温度场分析....................................................65
§6.4.7 标准控制温度下速度场分析........................................................66
§6.5 实验结果与数值模拟结果的对比.....................................................66
§6.5.1 环境模拟室内温度场实测与数值计算的对比............................66
§6.5.2 环境模拟室内速度场实测与数值计算的对比............................68
§6.6 本章小结.............................................................................................69
第 七 章 小结与讨论....................................................................................... 71
§7.1 主要工作和结论.................................................................................71
§7.2 建议与今后的研究方向.....................................................................71
主要符号表............................................................................................ 73
参考文献................................................................................................ 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.................... 79
致谢 ........................................................................................................ 81
第 一 章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 课题提出的背景及意义
从社会角度看，我国目前资源消耗高、浪费大、环境污染严重等问题依然存
在，随着经济的快速增长和人口的不断增加，淡水、土地、能源、矿产等资源不
足的矛盾更加突出，环境压力日益增大，因而积极开发节能、环保型产品是国内
企业、高校以及个人的研究重点。
照明用电，包括室外照明和室内照明用电，是人民生活中不可缺少的能源。
而目前，我国电力紧缺，特别是夏季用电尖峰时节的用电瓶颈问题突出。虽然照
明用电相比空调用电，占总发电量比重相对较小，但据统计，目前我国照明用电
量占到总发电量的 13％～15％左右。《中国统计年鉴 2006》数据显示，2005 年我
国总发电量为 25002.6 亿度，则照明用电约为 3250.3 亿度～3750.4 亿度[1]。近两年
随着城市发展加快，目前城市照明(指景观照明和功能照明的统称),年用电量约占全
国总发电量的 4％～5％。
虽然照明耗电量如此之大，但目前我国照明电器市场上，传统的高耗能产品
仍然占据较大的市场份额。资料显示，若以一只飞利浦节能产品替代同样亮度的
一只飞利浦普通白炽灯，可以节电约 80％，如果节能灯为 11 瓦，被取代亮度相近
的白炽灯为 60 瓦，以全国推广使用 12 亿只，每只节能灯每天工作 4个小时计算，
每年节省的电量相当于三峡大坝全部发电机组全年的发电量。
从以上数据显示，照明节能意义重大。而且我国政府在照明节能上一直都很
重视，1996 年10 月，我国启动了“中国绿色照明工程”；新颁布实施的“建筑照
明设计标准”GB50034—2004 增加了照明控制条款,强调各类场所照明节能控制；
2005 年7月开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005 要求全年的总
能耗(采暖,通风,空气调节和照明)减少 50％。
照明节能主要从三个方面入手：
（1）选用高效节能的电光源和灯具；
（2）选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；
（3）配置适宜，先进照明控制装置。
其中加快节能型电光源和灯具的研究与开发尤为重要。
本课题关注于电光源和灯具的测试与实验系统的建设，重点在于运用本专业
知识，采用自然对流换热的方式控制环境温度，开发一套新型完整的灯具实验系
统，用于灯具的耐久性实验，为节能型电光源和灯具的开发提供测试条件。并且
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：80 页
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时间：2025-01-09
