砂漿布置方式對(duì)砌塊傳熱系數(shù)的影響

砂漿布置方式對(duì)砌塊傳熱系數(shù)的影響

近年來(lái)，ansx在中國(guó)的結(jié)構(gòu)、流量、加熱、電池、磁體和聲音場(chǎng)方面得到了廣泛的普及。其中Ansys熱分析技術(shù)的數(shù)值計(jì)算方法,在研究建筑墻體材料熱工方面的應(yīng)用愈加受到業(yè)內(nèi)同仁的重視。本文運(yùn)用Ansys有限元中的熱分析技術(shù)方法,探討混凝土復(fù)合保溫砌塊的孔型布置對(duì)傳熱系數(shù)的影響,以確定相同邊界條件和同等孔洞率情況下,混凝土復(fù)合保溫砌塊孔型布置的合理性,從而實(shí)現(xiàn)混凝土復(fù)合保溫砌塊傳熱系數(shù)最小化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。張?jiān)吹热讼喾?王曉璐上述研究表明,Ansys熱分析技術(shù)在我國(guó)墻體材料熱分析技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始嶄露頭角,正以極其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算分析能力,為節(jié)能建筑用墻體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提供極為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)技術(shù)支撐平臺(tái)。在邊界條件和熱工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定合理的情況下,會(huì)因?yàn)锳nsys熱分析技術(shù)的數(shù)值運(yùn)算精度高,可以為生產(chǎn)企業(yè)大幅度地節(jié)省產(chǎn)品傳熱系數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)費(fèi)用,縮短測(cè)定周期;傳熱系數(shù)的計(jì)算精度也能夠滿足建筑節(jié)能工程的使用要求。從另外一個(gè)角度看,Ansys熱分析技術(shù)也可以和墻體材料熱工試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)互為補(bǔ)充、互為驗(yàn)證,與墻體材料的科學(xué)發(fā)展相得益彰、各領(lǐng)風(fēng)騷。1復(fù)合保溫斑塊的熱性能雖然,這些學(xué)者以不同的計(jì)算分析方法,探討了數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)上建立起來(lái)的有限元技術(shù)用于墻體熱分析的途徑,但是對(duì)于墻體材料塊材在同等邊界條件和相同孔洞率情況下,孔型布置方式對(duì)墻體傳熱系數(shù)的影響并未述及。本文以陳利群等人在文獻(xiàn)[2]中的混凝土空心砌塊為例(見(jiàn)本文圖1b),首先從連續(xù)灰縫砌塊墻片和斷續(xù)灰縫砌塊墻片的Ansys熱分析開(kāi)始,比較這兩種不同砌筑灰縫情況下的砌塊墻片的溫度分布云圖、熱流密度云圖、溫度梯度云圖,以及將砌塊墻片作為隔熱a)連續(xù)砂漿磚縫體的熱端和冷端的溫度分布曲線與熱流密度曲線。在下面的Ansys熱分析中,將會(huì)看到因?yàn)檫B續(xù)灰縫和斷續(xù)灰縫這一小小的差異,使墻片的傳熱系數(shù)將大相徑庭、迥然不一。由此,引伸出復(fù)合保溫砌塊的孔型布置對(duì)其隔熱性能的影響是相當(dāng)巨大的。我國(guó)現(xiàn)每年新建房屋面積近20億平方米,隨之帶來(lái)建筑能耗迅速增長(zhǎng)。通過(guò)改善建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一———墻體材料的熱工性能,從而減少建筑用能消耗。建筑節(jié)能對(duì)墻體材料制造商在產(chǎn)品的熱工性能指標(biāo)方面提出了更為嚴(yán)格、苛刻的要求,產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)不僅要滿足安全、可靠的要求,而且熱工性能指標(biāo)必須符合建筑節(jié)能的相關(guān)要求。因此,研究墻體材料(磚、塊、板等)的熱工性能,對(duì)于促進(jìn)建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展,提高產(chǎn)品熱工性能,意義極為重要。2在穩(wěn)定的加熱條件下，塊墻的基本過(guò)程、數(shù)學(xué)模型和邊界條件被anss熱分析的2.1穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程穩(wěn)態(tài)傳熱是指在砌塊墻體內(nèi)部的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化。按照Ansys穩(wěn)態(tài)熱分析的三個(gè)基本步驟:前處理(建模);求解(施加載荷、邊界條件、計(jì)算);后處理(查看結(jié)果),由Ansys便可以得出砌塊墻體傳熱截面———以云圖表示的溫度分布場(chǎng)、熱流密度場(chǎng),溫度梯度場(chǎng)等運(yùn)算結(jié)果。在穩(wěn)態(tài)熱分析中,砌塊墻體的傳熱截面上任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為(以矩陣形式表示):式中:[K]-為傳導(dǎo)矩陣;{T}-為溫度梯度矢量;Ansys會(huì)自動(dòng)利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件,生成[K]、{T}以及{Q},進(jìn)而予以求解。2.2模型及熱分析運(yùn)行假設(shè)具有灰縫連續(xù)的砌塊墻片試件和灰縫斷續(xù)的砌塊墻片試件,分別阻斷了試驗(yàn)熱箱和冷箱的熱端空氣和冷端空氣(見(jiàn)圖2)。這兩種砌塊墻片的熱端空氣溫度、熱端對(duì)流換熱系數(shù)、冷端空氣溫度和冷端對(duì)流換熱系數(shù)見(jiàn)表1。在砌塊的空洞內(nèi)填充聚氨酯泡沫,在灰縫斷續(xù)處也用聚氨酯泡沫填充(見(jiàn)圖2b)。墻面抹砂漿的厚度如圖1所示,砌塊之間的砂漿厚度均為10mm。本計(jì)算模型的砌塊墻片兩側(cè)砂漿縫隙考慮到對(duì)稱性效應(yīng),一律按照?qǐng)D1b)給出的數(shù)值取值,即5mm。墻體中聚氨酯泡沫、砂漿和砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)圖1的幾何模型參數(shù)與圖2給出的邊界條件,以及表1給出的相關(guān)熱物性參數(shù),編寫Ansys穩(wěn)態(tài)熱分析運(yùn)行命令流,在Ansys上運(yùn)行后,可分別得出圖2所示砌塊墻體的溫度場(chǎng)云圖、y方向上的溫度梯度場(chǎng)云圖、y方向上的熱流密度場(chǎng)云圖。參見(jiàn)圖4所示。2.3砌石類砌合墻片的熱物性在砌塊墻片的熱分析中,關(guān)心的只是圖2的y軸方向的溫度梯度和熱流密度變化情況,因?yàn)橹挥衴軸方向的熱物性才能真正表征圖2所示墻體的隔熱保溫能力。由于溫度梯度和熱流密度均為矢量,即與圖2中的y軸正方向一致時(shí),取正值,否則取其負(fù)值。在砌塊墻片的墻面高溫側(cè)和低溫側(cè)上,由Ansys導(dǎo)出表2的數(shù)據(jù)。按照文獻(xiàn)[6]對(duì)總傳熱系數(shù)的定義:因此,圖1所示的灰縫連續(xù)的砌塊墻片和灰縫間斷的砌塊墻片的傳熱系數(shù)分別是:顯然,砌筑灰縫連續(xù)砌塊墻片傳熱數(shù)U按照表2給出砌塊墻面的熱物性參數(shù),可以繪制如圖3所示的墻面熱物性曲線。由圖3明顯看出:在砌筑灰縫連續(xù)的砌塊墻體和灰縫間斷的砌塊墻體,墻面溫度幾乎一致的情況下,砂漿灰縫間斷砌塊墻片的低溫側(cè)的熱流密度波動(dòng)范圍和平均值,要小于砂漿灰縫連續(xù)的砌塊墻片。圖4給出的砌塊墻片試件的Ansys計(jì)算云圖,雖然兩種砌塊墻片的溫度分布云圖趨于一致,但是y軸方向的溫度梯度云圖卻大相徑庭。尤其砌塊墻片截面中部的溫度梯度,砂漿灰縫間斷的砌塊墻體大大高于灰縫連續(xù)的砌塊墻體,說(shuō)明灰縫間斷砌塊墻體截面的中部阻熱能力要強(qiáng)于灰縫連續(xù)的砌塊墻體,使其低熱流密度的區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。砌塊墻片的Ansys計(jì)算云圖,從理論上印證了在砌塊砌體的砌筑砂漿層中段設(shè)置聚氨酯泡沫條,能夠有效地破壞灰縫砂漿形成的“熱橋”,以阻斷熱流的外泄。為了提高建筑物外圍護(hù)墻體的熱阻,建議設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)當(dāng)在圖2所示的砌塊墻體的砂漿灰縫中設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)很低的隔熱材料,以提高建筑物的節(jié)能效率。砌塊墻體的Ansys熱分析計(jì)算云圖,能夠比較直觀地看出砌塊墻體傳熱截面的溫度、溫度梯度和熱流密度分布狀況,容易找出砌塊圍護(hù)墻體中對(duì)保溫隔熱影響較大的薄弱環(huán)節(jié),可以成為進(jìn)一步改善保溫砌塊阻熱能力的一種分析問(wèn)題的工具。3在穩(wěn)定期燃燒下塊的傳熱特性的比較3.1填充材料的熱物性能在上面的分析中較為詳細(xì)地討論了砌塊墻體的熱物性能,但是,砌塊生產(chǎn)企業(yè)最關(guān)心的是砌塊本身的熱物性能。砌塊墻體的熱物性能既與砌塊本身的熱物性能有關(guān),也與砌筑砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)和砂漿鋪設(shè)方式有關(guān)。為排除砌筑砂漿導(dǎo)熱系數(shù)和砂漿鋪設(shè)方式的影響,按照?qǐng)D5給出了三種不同孔型布置方式的砌塊幾何尺寸(其孔洞率均為52.28%),砌塊孔洞中填充材料仍然是聚氨酯泡沫,砌塊材料同樣為水泥混凝土。給出的邊界條件相關(guān)參數(shù)值與表1的數(shù)值相同。3.2填充料熱物分析關(guān)于復(fù)合砌塊采用Ansys進(jìn)行熱分析的基本流程和數(shù)學(xué)模型以及邊界假設(shè)條件完全與文中2.1節(jié)和2.2節(jié)相同,所不同的是與圖1相比,只是研究對(duì)象的幾何模型發(fā)生了較大地變化。將表1給出的材料熱物性參數(shù)和圖5給出的三種復(fù)合砌塊的幾何模型參數(shù)編寫成命令流,在Ansys上運(yùn)行后,形成圖6和圖7所示的溫度、y軸方向的熱流密度和溫度梯度云圖。將三種不同復(fù)合保溫砌塊的高溫側(cè)和低溫側(cè)的表面溫度和y軸方向上表面熱流密度輸出結(jié)果,繪制成圖8所示的砌塊表面溫度和熱流密度曲線。可以發(fā)現(xiàn):圖5中的Ⅱ型砌塊,由于幾何塊型的對(duì)稱性,無(wú)論是表面溫度,還是y軸方向的表面熱流密度曲線都具有明顯的“雙乳”型對(duì)稱特征。采用Ansys有限元數(shù)值運(yùn)算分析,進(jìn)一步印證了圖5中的Ⅱ型砌塊在具有相同熱物性條件下,砌塊幾何塊型的對(duì)稱必然帶來(lái)“種瓜得瓜,種豆得豆”的對(duì)偶傳熱效應(yīng)。圖6c)的溫度云圖和圖6d)的熱流密度云圖,以及圖7b)的溫度梯度云圖,也充分展示了這種對(duì)稱性熱物理現(xiàn)象。圖7a)中的Ⅰ型砌塊,其溫度梯度不具備對(duì)稱性特征,其中間凹槽邊緣溫度梯度值極大,阻熱效果較為明顯。砌塊孔間的豎肋和邊緣豎肋屬于y軸方向溫度梯度較大的區(qū)域,如圖6b)所示y軸方向的熱流集中在這幾個(gè)區(qū)域向下傳遞(y軸的負(fù)方向),是熱流密度的高值(絕對(duì)值)集中區(qū)。而砌塊的水平邊緣肋和孔間的水平肋,溫度梯度很小,在這些區(qū)域y軸方向的熱流密度絕對(duì)值也是處于較小的范圍。圖7b)中的Ⅱ型砌塊的溫度梯度,以及圖6c)和圖6d)的Ⅱ型砌塊溫度云圖和熱流密度云圖,分布十分對(duì)稱,這和Ⅱ型砌塊的孔型分布對(duì)稱性的關(guān)聯(lián)度極為吻合。Ⅱ型砌塊的水平邊緣肋和孔間水平肋的y軸方向溫度梯度很小,在圖6d)的y軸方向的熱流密度也是出于較小的區(qū)間值,說(shuō)明向下(y軸負(fù)方向)傳遞熱量主要依靠砌塊的豎向肋。圖7c)中的Ⅲ型砌塊,由于孔型布置極不對(duì)稱,使其溫度y軸方向的溫度梯度,以及圖6e)、圖6f)的溫度分布云圖和y軸方向熱流密度云圖,分布出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的不對(duì)稱性現(xiàn)象。比較圖7的三種塊型砌塊的y軸方向溫度梯度,出現(xiàn)了一種有趣的現(xiàn)象,Ⅲ型砌塊孔型布置的極不對(duì)稱,使其溫度梯度在豎向肋附近的高位溫度梯度值云圖區(qū)域,明顯小于Ⅰ型砌塊和Ⅱ型砌塊,使其圖6f)中的y軸方向低值熱流密度區(qū)域面積,大大高于Ⅰ型砌塊和Ⅱ型砌塊。這說(shuō)明圖7c)中的Ⅲ型砌塊是這三種復(fù)合保溫砌塊中阻熱能力最強(qiáng)的。圖8中給出這三種塊型砌塊的表面溫度分布和熱流密度曲線,也充分印證了這一點(diǎn)。從表3的砌塊表面熱物性指標(biāo)中,Ⅲ型砌塊的各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大,其次是Ⅱ型砌塊。雖然Ⅲ型砌塊的熱物性指標(biāo)平均值和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最小,但其表面溫度和熱流密度沿著x軸方向的波動(dòng)范圍是最大的。圖8和表3中的負(fù)號(hào),說(shuō)明熱流密度矢量的方向與圖5給出的y軸正方向相反。用本文的式(2),根據(jù)表2中Ansys輸出結(jié)果的計(jì)算平均值,可得到三種不同塊型復(fù)合保溫砌塊的傳熱系數(shù)(見(jiàn)表3)。雖然這三種塊型砌塊的孔洞率(52.28%)相等,而且也都能夠滿足夏熱冬冷地區(qū)平均傳熱系數(shù)的規(guī)定(<1.5W/m4導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)復(fù)合保溫斑塊熱分析的影響1)以圖5中的Ⅰ型砌塊為例,將砌塊墻體傳熱系數(shù)計(jì)算公式(3)和公式(4)計(jì)算結(jié)果,與表3中的Ⅰ型砌塊進(jìn)行比較(見(jiàn)表4),可見(jiàn)采用同樣孔型布置的砌塊,會(huì)由于施工方式不同,使砌筑墻體的最終傳熱系數(shù)發(fā)生很大變化。2)需要指出,文中表1給出的混凝土、砂漿的導(dǎo)熱系數(shù),將會(huì)受到各種因素的影響,例如混凝土(或砂漿)的密實(shí)度、使用骨料密度和品種。不同種類的聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù),也會(huì)對(duì)復(fù)合保溫砌塊的傳熱系數(shù)產(chǎn)生較大的影響。在不同地區(qū)做復(fù)合保溫砌塊的Ansys熱分析時(shí),一定要結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)企業(yè)使用原材料的熱物性,進(jìn)行合理取值。同時(shí),復(fù)合保溫砌塊的Ansys熱分析計(jì)算結(jié)