砂浆布置方式对砌块传热系数的影响

砂浆布置方式对砌块传热系数的影响

近年来，ansx在中国的结构、流量、加热、电池、磁体和声音场方面得到了广泛的普及。其中Ansys热分析技术的数值计算方法,在研究建筑墙体材料热工方面的应用愈加受到业内同仁的重视。本文运用Ansys有限元中的热分析技术方法,探讨混凝土复合保温砌块的孔型布置对传热系数的影响,以确定相同边界条件和同等孔洞率情况下,混凝土复合保温砌块孔型布置的合理性,从而实现混凝土复合保温砌块传热系数最小化的设计目标。张源等人相反,王晓璐上述研究表明,Ansys热分析技术在我国墙体材料热分析技术领域已经开始崭露头角,正以极其强大的数值运算分析能力,为节能建筑用墙体材料产业的发展,提供极为坚实的基础技术支撑平台。在边界条件和热工基础数据设定合理的情况下,会因为Ansys热分析技术的数值运算精度高,可以为生产企业大幅度地节省产品传热系数试验检测费用,缩短测定周期;传热系数的计算精度也能够满足建筑节能工程的使用要求。从另外一个角度看,Ansys热分析技术也可以和墙体材料热工试验检测技术互为补充、互为验证,与墙体材料的科学发展相得益彰、各领风骚。1复合保温斑块的热性能虽然,这些学者以不同的计算分析方法,探讨了数值计算基础上建立起来的有限元技术用于墙体热分析的途径,但是对于墙体材料块材在同等边界条件和相同孔洞率情况下,孔型布置方式对墙体传热系数的影响并未述及。本文以陈利群等人在文献[2]中的混凝土空心砌块为例(见本文图1b),首先从连续灰缝砌块墙片和断续灰缝砌块墙片的Ansys热分析开始,比较这两种不同砌筑灰缝情况下的砌块墙片的温度分布云图、热流密度云图、温度梯度云图,以及将砌块墙片作为隔热a)连续砂浆砖缝体的热端和冷端的温度分布曲线与热流密度曲线。在下面的Ansys热分析中,将会看到因为连续灰缝和断续灰缝这一小小的差异,使墙片的传热系数将大相径庭、迥然不一。由此,引伸出复合保温砌块的孔型布置对其隔热性能的影响是相当巨大的。我国现每年新建房屋面积近20亿平方米,随之带来建筑能耗迅速增长。通过改善建筑物围护结构之一———墙体材料的热工性能,从而减少建筑用能消耗。建筑节能对墙体材料制造商在产品的热工性能指标方面提出了更为严格、苛刻的要求,产品的力学性能指标不仅要满足安全、可靠的要求,而且热工性能指标必须符合建筑节能的相关要求。因此,研究墙体材料(砖、块、板等)的热工性能,对于促进建筑节能事业的发展,提高产品热工性能,意义极为重要。2在稳定的加热条件下，块墙的基本过程、数学模型和边界条件被anss热分析的2.1稳态热分析的能量平衡方程稳态传热是指在砌块墙体内部的温度场不随时间变化。按照Ansys稳态热分析的三个基本步骤:前处理(建模);求解(施加载荷、边界条件、计算);后处理(查看结果),由Ansys便可以得出砌块墙体传热截面———以云图表示的温度分布场、热流密度场,温度梯度场等运算结果。在稳态热分析中,砌块墙体的传热截面上任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵形式表示):式中:[K]-为传导矩阵;{T}-为温度梯度矢量;Ansys会自动利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成[K]、{T}以及{Q},进而予以求解。2.2模型及热分析运行假设具有灰缝连续的砌块墙片试件和灰缝断续的砌块墙片试件,分别阻断了试验热箱和冷箱的热端空气和冷端空气(见图2)。这两种砌块墙片的热端空气温度、热端对流换热系数、冷端空气温度和冷端对流换热系数见表1。在砌块的空洞内填充聚氨酯泡沫,在灰缝断续处也用聚氨酯泡沫填充(见图2b)。墙面抹砂浆的厚度如图1所示,砌块之间的砂浆厚度均为10mm。本计算模型的砌块墙片两侧砂浆缝隙考虑到对称性效应,一律按照图1b)给出的数值取值,即5mm。墙体中聚氨酯泡沫、砂浆和砌块的导热系数见表1。根据图1的几何模型参数与图2给出的边界条件,以及表1给出的相关热物性参数,编写Ansys稳态热分析运行命令流,在Ansys上运行后,可分别得出图2所示砌块墙体的温度场云图、y方向上的温度梯度场云图、y方向上的热流密度场云图。参见图4所示。2.3砌石类砌合墙片的热物性在砌块墙片的热分析中,关心的只是图2的y轴方向的温度梯度和热流密度变化情况,因为只有y轴方向的热物性才能真正表征图2所示墙体的隔热保温能力。由于温度梯度和热流密度均为矢量,即与图2中的y轴正方向一致时,取正值,否则取其负值。在砌块墙片的墙面高温侧和低温侧上,由Ansys导出表2的数据。按照文献[6]对总传热系数的定义:因此,图1所示的灰缝连续的砌块墙片和灰缝间断的砌块墙片的传热系数分别是:显然,砌筑灰缝连续砌块墙片传热数U按照表2给出砌块墙面的热物性参数,可以绘制如图3所示的墙面热物性曲线。由图3明显看出:在砌筑灰缝连续的砌块墙体和灰缝间断的砌块墙体,墙面温度几乎一致的情况下,砂浆灰缝间断砌块墙片的低温侧的热流密度波动范围和平均值,要小于砂浆灰缝连续的砌块墙片。图4给出的砌块墙片试件的Ansys计算云图,虽然两种砌块墙片的温度分布云图趋于一致,但是y轴方向的温度梯度云图却大相径庭。尤其砌块墙片截面中部的温度梯度,砂浆灰缝间断的砌块墙体大大高于灰缝连续的砌块墙体,说明灰缝间断砌块墙体截面的中部阻热能力要强于灰缝连续的砌块墙体,使其低热流密度的区域范围进一步扩大。砌块墙片的Ansys计算云图,从理论上印证了在砌块砌体的砌筑砂浆层中段设置聚氨酯泡沫条,能够有效地破坏灰缝砂浆形成的“热桥”,以阻断热流的外泄。为了提高建筑物外围护墙体的热阻,建议设计、施工中应当在图2所示的砌块墙体的砂浆灰缝中设置导热系数很低的隔热材料,以提高建筑物的节能效率。砌块墙体的Ansys热分析计算云图,能够比较直观地看出砌块墙体传热截面的温度、温度梯度和热流密度分布状况,容易找出砌块围护墙体中对保温隔热影响较大的薄弱环节,可以成为进一步改善保温砌块阻热能力的一种分析问题的工具。3在稳定期燃烧下块的传热特性的比较3.1填充材料的热物性能在上面的分析中较为详细地讨论了砌块墙体的热物性能,但是,砌块生产企业最关心的是砌块本身的热物性能。砌块墙体的热物性能既与砌块本身的热物性能有关,也与砌筑砂浆的导热系数和砂浆铺设方式有关。为排除砌筑砂浆导热系数和砂浆铺设方式的影响,按照图5给出了三种不同孔型布置方式的砌块几何尺寸(其孔洞率均为52.28%),砌块孔洞中填充材料仍然是聚氨酯泡沫,砌块材料同样为水泥混凝土。给出的边界条件相关参数值与表1的数值相同。3.2填充料热物分析关于复合砌块采用Ansys进行热分析的基本流程和数学模型以及边界假设条件完全与文中2.1节和2.2节相同,所不同的是与图1相比,只是研究对象的几何模型发生了较大地变化。将表1给出的材料热物性参数和图5给出的三种复合砌块的几何模型参数编写成命令流,在Ansys上运行后,形成图6和图7所示的温度、y轴方向的热流密度和温度梯度云图。将三种不同复合保温砌块的高温侧和低温侧的表面温度和y轴方向上表面热流密度输出结果,绘制成图8所示的砌块表面温度和热流密度曲线。可以发现:图5中的Ⅱ型砌块,由于几何块型的对称性,无论是表面温度,还是y轴方向的表面热流密度曲线都具有明显的“双乳”型对称特征。采用Ansys有限元数值运算分析,进一步印证了图5中的Ⅱ型砌块在具有相同热物性条件下,砌块几何块型的对称必然带来“种瓜得瓜,种豆得豆”的对偶传热效应。图6c)的温度云图和图6d)的热流密度云图,以及图7b)的温度梯度云图,也充分展示了这种对称性热物理现象。图7a)中的Ⅰ型砌块,其温度梯度不具备对称性特征,其中间凹槽边缘温度梯度值极大,阻热效果较为明显。砌块孔间的竖肋和边缘竖肋属于y轴方向温度梯度较大的区域,如图6b)所示y轴方向的热流集中在这几个区域向下传递(y轴的负方向),是热流密度的高值(绝对值)集中区。而砌块的水平边缘肋和孔间的水平肋,温度梯度很小,在这些区域y轴方向的热流密度绝对值也是处于较小的范围。图7b)中的Ⅱ型砌块的温度梯度,以及图6c)和图6d)的Ⅱ型砌块温度云图和热流密度云图,分布十分对称,这和Ⅱ型砌块的孔型分布对称性的关联度极为吻合。Ⅱ型砌块的水平边缘肋和孔间水平肋的y轴方向温度梯度很小,在图6d)的y轴方向的热流密度也是出于较小的区间值,说明向下(y轴负方向)传递热量主要依靠砌块的竖向肋。图7c)中的Ⅲ型砌块,由于孔型布置极不对称,使其温度y轴方向的温度梯度,以及图6e)、图6f)的温度分布云图和y轴方向热流密度云图,分布出现了较为严重的不对称性现象。比较图7的三种块型砌块的y轴方向温度梯度,出现了一种有趣的现象,Ⅲ型砌块孔型布置的极不对称,使其温度梯度在竖向肋附近的高位温度梯度值云图区域,明显小于Ⅰ型砌块和Ⅱ型砌块,使其图6f)中的y轴方向低值热流密度区域面积,大大高于Ⅰ型砌块和Ⅱ型砌块。这说明图7c)中的Ⅲ型砌块是这三种复合保温砌块中阻热能力最强的。图8中给出这三种块型砌块的表面温度分布和热流密度曲线,也充分印证了这一点。从表3的砌块表面热物性指标中,Ⅲ型砌块的各项指标的标准偏差最大,其次是Ⅱ型砌块。虽然Ⅲ型砌块的热物性指标平均值和表面传热系数最小,但其表面温度和热流密度沿着x轴方向的波动范围是最大的。图8和表3中的负号,说明热流密度矢量的方向与图5给出的y轴正方向相反。用本文的式(2),根据表2中Ansys输出结果的计算平均值,可得到三种不同块型复合保温砌块的传热系数(见表3)。虽然这三种块型砌块的孔洞率(52.28%)相等,而且也都能够满足夏热冬冷地区平均传热系数的规定(<1.5W/m4导热系数对复合保温斑块热分析的影响1)以图5中的Ⅰ型砌块为例,将砌块墙体传热系数计算公式(3)和公式(4)计算结果,与表3中的Ⅰ型砌块进行比较(见表4),可见采用同样孔型布置的砌块,会由于施工方式不同,使砌筑墙体的最终传热系数发生很大变化。2)需要指出,文中表1给出的混凝土、砂浆的导热系数,将会受到各种因素的影响,例如混凝土(或砂浆)的密实度、使用骨料密度和品种。不同种类的聚氨酯泡沫的导热系数,也会对复合保温砌块的传热系数产生较大的影响。在不同地区做复合保温砌块的Ansys热分析时,一定要结合当地生产企业使用原材料的热物性,进行合理取值。同时,复合保温砌块的Ansys热分析计算结