由于日常生活和工程实践中,为了防火、安全和隐私的需要,单开口自然通风现象很普遍。本文首先介绍了单开口自然通风在国内外的研究现状,指出了单开口自然通风流动的不确定性及其复杂多变等问题带来了研究的困难。因此,本文采用数理分析、实验和数值模拟研究三种方法,考虑了小开口和大开口两种情况,主要从开口、建筑、热源和室外气象参数这四大方面着手,重点研究了开口宽度、开口高度、开口离地高度、建筑墙体厚度、建筑进深、热源离地高度、热源强度、室内外温差、室外风速、室外风向等10个参数对单开口自然通风的影响,对单开口自然通风特性进行了较为全面的分析研究。建立了单开口自然通风的计算模型,并根据单开口自然通风流动及换热机理,设计并制作应用两种新型窗户,与传统的平开窗和推拉窗的自然通风效果进行比较。本文首先介绍了单开口的定义及其物理模型,分析了小开口和大开口自然通风特点,根据小开口和大开口流动特性的差异,提出单开口自然通风设计及计算时,首先要进行小开口和大开口判断,再应用对应的单开口计算模型。分别介绍了热压单独作用、风压单独作用、热压风压共同作用三种情况下的单开口自然通风计算模型。在前人研究基础上,根据小开口和大开口的自然通风原理,通过合理假设简化模型,进行二维单开口通风计算模型的数理推导,建立了小开口和大开口自然通风模型。特别是针对复杂的大开口自然通风,提出了两个新的研究模型:“以开口为边界的控制容积模型”和“以室外空间为边界的管流模型”。并分析了两个研究模型的特点、使用方法及适用场合,为后面章节的实验和数值模拟研究提供了理论依据。基于“以开口为边界的控制容积模型”,分别用现场实验实测和CFD数值计算方法对单开口自然通风特性进行了研究。通过单开口自然通风实验研究,主要分析了开口宽度和室内外温差对单开口自然通风的影响,推导出了实验条件下,单开口自然通风量简易计算模型。从开口、建筑、热源和室外气象参数这四大方面着手,根据工程实践中的基本数据,对开口宽度、开口高度、开口离地高度、建筑墙体厚度、建筑进深、热源离地高度、热源强度、室内外温差、室外风速、室外风向等10个参数分别变化时的工况进行数值模拟计算,对各参数变化时的温度场、压力场和流线进行了分析比较,阐明了单开口自然通风的流动和换热机理。并对各工况下的自然通风量进行了计算,分析了上述10个参数对自然通风量的影响规律。由于单开口通风中室内风速较小,提出了按室内气流速度将室内分为“微风区”和“无风区”两个区域的方法,并进行了各工况的比较分析。提出了“有效通风长度”这一新概念,并对其进行定义。重点分析了开口宽度、开口高度、开口离地高度、建筑墙体厚度、室外风速、室外风向这六个参数对单开口自然通风有效通风长度的影响关系。并综合以上各参数的影响规律,推导出了有效通风长度的计算公式。综合实验和模拟研究数据和结果,根据各工况下流线涡的发展和变化规律,温度和压力分布情况,以及各影响因素对自然通风量、室内分区、有效通风长度的分析,提出大开口和小开口的判断条件。基于“以室外空间为边界的管流模型”,在数值模拟研究中建立了“以计算域为边界的管流模型”,提出将带有单开口的建筑整体作为一个局部阻力构件,用无建筑的计算域管流进出口能量损失作为沿程阻力,局部阻力损失全部集中在单开口的建筑中的计算方法,推导出了室外气流流经单开口建筑的局部阻力损失系数计算公式,并应用在各种工况下进行分析。发现此时的局部阻力系数受开口宽度、开口高度、开口离地高度、墙体厚度、热源强度、热源离地高度、室外风速、室内外温差这八个参数的影响很小,主要受建筑进深和室外风向的影响。最后,根据单开口自然通风特性的实验和模拟研究结果,为提高单开口自然通风效果,考虑对开口装置的改进,设计制作并应用了两种新型通风窗户——“上下对开垂直导风窗”和“带垂直导板的对开多叶中旋窗”。通过现场实测和CFD方法,对两种新型窗户与传统的平开窗和推拉窗的自然通风效果进行了比较分析。研究表明,两种新型窗户的自然通风效果优于传统窗户,特别是改进了传统窗户对风向的敏感性问题,对室外风向的适应性更强。研究中还发现了,“上下对开垂直导风窗”中设置水平分流板,“带垂直导板的对开多叶中旋窗”中设置导流入室挡板的必要性。通过数值模拟,探讨了实际应用中两种新型窗户应对不同室外风向的调节方法,并给出了相关的建议和意见,为新型窗户的改良设计和应用提供了指导。