小麥秸稈砌塊溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

劉永仇美劉福勝 范軍馬飛韓君格盧華

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271078)

0 引言

目前對(duì)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法有3 種，分別是圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)、解析方法、數(shù)值模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)周期長(zhǎng)，一般需要5年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，且得不到完整的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。解析方法對(duì)于求解簡(jiǎn)單的導(dǎo)熱問(wèn)題，是相當(dāng)繁難和復(fù)雜的，對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的物體和非線性邊界條件下的導(dǎo)熱問(wèn)題幾乎是不可能完成的。 建立在有限差分法，有限元法和邊界元法基礎(chǔ)上的數(shù)值模擬算法是求解溫度場(chǎng)問(wèn)題的十分有效的方法，是一種具有足夠準(zhǔn)確性的近似方法。 本文采用基于有限單元法的ADINA 軟件對(duì)小麥秸稈砌塊進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。

1 模型建立

1.1 計(jì)算模型

由于小麥秸稈砌塊的內(nèi)外表面均為復(fù)雜的對(duì)流和輻射耦合換熱，所以是一個(gè)非線性輻射，對(duì)流邊界條件下的三維瞬態(tài)傳熱問(wèn)題。本文只是對(duì)單純的小麥秸稈砌塊進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，不考慮輻射，基于前述對(duì)夾心秸稈砌塊墻保溫隔熱的測(cè)試，因溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化，視為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。 為使理論建模成為可能，故做如下假設(shè)：

(1)小麥秸稈砌塊前后兩面為恒定不變的溫度，其余各面均為絕熱條件，可以將導(dǎo)熱問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維導(dǎo)熱；

表1 小麥秸稈砌塊的熱物性參數(shù)

(2)小麥秸稈砌塊為均勻連續(xù)、各向同性的常物性砌塊；

(3)材料結(jié)合緊密，忽略各不同材料之間的熱阻[1-2]；

在傅里葉定律的基礎(chǔ)上，借助熱力學(xué)第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，把物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度關(guān)聯(lián)起來(lái)，對(duì)于沒(méi)有內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，建立起溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱微分方程，如公式1 所示：

即導(dǎo)入微元體的熱量等于導(dǎo)出微元體的熱量。

1.2 幾何條件

小麥秸稈砌塊為長(zhǎng)、寬、高分別為140mm、120mm、170mm的立方體。 如圖1 所示：

1 所指示的面即為保持恒定溫度的面，與之對(duì)應(yīng)的后面溫度也是恒定的。

1.3 物理?xiàng)l件

小麥秸稈砌塊由不同材料組成。小麥秸稈砌塊的熱物性參數(shù)如表1 所示。

1.4 邊界條件

為說(shuō)明物體邊界上過(guò)程進(jìn)行的特點(diǎn)，反映過(guò)程與周圍環(huán)境相互作用的條件稱為邊界條件。

第一類邊界條件是已知任何時(shí)刻物體邊界面上的溫度值，即公式2：

式中下標(biāo)s 表示邊界面，是溫度在邊界面s的給定值。 對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，不隨時(shí)間發(fā)生變化。

第二類邊界條件是已知任何時(shí)刻物體邊界面上的熱流密度值。因?yàn)楦道锶~定律給出了熱流密度矢量與溫度梯度之間的關(guān)系，所以第二類邊界條件等于已知任何時(shí)刻物體邊界面s法向的溫度變化率的值。 這里我們假設(shè)其余面是絕熱條件，根據(jù)傅里葉定律，該邊界面上溫度變化率數(shù)值為零，即公式3：

2 模擬結(jié)果

為了進(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析，在ADINA 中建立了一個(gè)2D 軸對(duì)稱導(dǎo)熱模型，計(jì)算區(qū)域是170mm×140mm的長(zhǎng)方形。 劃分網(wǎng)格每邊10 份，每個(gè)單元?jiǎng)澐种胁捎? 節(jié)點(diǎn)生成單元圖見(jiàn)圖2。

模型的分析主要是對(duì)小麥秸稈砌塊溫度場(chǎng)的分析，圖3 是小麥秸稈砌塊在假設(shè)條件下的溫度場(chǎng)。 溫度的最大值為38.47，最小為9.96 。 整個(gè)小麥秸稈砌塊導(dǎo)熱過(guò)程穩(wěn)定，得出的溫度場(chǎng)規(guī)整有序，直觀看出小麥秸稈砌塊保溫隔熱性能的優(yōu)越性，是新型墻體材料的優(yōu)選。

圖4 是小麥秸稈砌塊的熱流密度圖，通過(guò)本圖可以看出小麥秸稈砌塊只在最高溫度一側(cè)熱流密度大，在最低溫度一側(cè)幾乎不受影響，說(shuō)明小麥秸稈砌塊熱阻值較大。

3 結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬得出的圖形，可得出如下結(jié)論：

（1）小麥秸稈砌塊導(dǎo)熱完全符合熱力學(xué)規(guī)律，熱分析模擬值與試驗(yàn)測(cè)出的值吻合較好，說(shuō)明文中采用的模型假設(shè)與邊界加載條件都是接近實(shí)際的。

（2）通過(guò)試驗(yàn)研究，小麥秸稈砌塊具有良好的保溫隔熱性能，滿足節(jié)能要求。

（3）通過(guò)此研究，可降低環(huán)境污染，降低工程造價(jià)，值得進(jìn)一步推廣。

[1]李紅梅，金偉良，葉甲淳.混凝土小型空心砌塊建筑溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].新型墻體材料與施工,2004,(3):58-61.

[2]李紅梅，金偉良，葉甲淳，王有為.建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,25,(12):93-98