计算流体力学课程论文

热桥有限元分析

摘要：在实际工程应用中，热桥效应给建筑以及人们的日常生活带来了很大的影响，针对以上问题，在基于COMSOL软件下，对热桥传热情况进行分析，用以验证热桥效应并解决相关问题。

关键词：COMSOL；热桥效应；传热情况

Abstract：In the practical engineering application, the thermal bridge effect has a great impact on the building and people's daily life. In view of the above problems, based on the COMSOL software, the heat transfer situation of the thermal bridge is analyzed to verify the thermal bridge effect and solve the related problems.

Keywords：COMSOL; Thermal bridge effect; Heat transfer

1.研究背景与意义

热桥是指处在外墙和屋面等维护结构中的钢筋混凝土或金属的粱、柱、肋等建筑部位。因这些建筑部位的传热能力较强，热流比较密集，内表面温度低，故称为热桥。由于热桥建筑部位内表面温度相对较低，在冬季当热桥处温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会在其表面上凝结，随之空气中的灰尘可能会附着在上面，造成墙体逐渐变黑，墙体长菌发霉。有时候在热桥效应严重的部位，甚至会淌水，给人们生活与健康带来了很大的影响。因此迫切需要解决热桥效应带来的问题。本文在基于COMSOL软件下，在前人研究的基础上，建立三维圆柱型和方型钢筋混凝土热桥模型，并对其传热情况进行了模拟分析，提出了防止热桥效应产生的措施。

2.建模与求解方法

为了对热桥传热情况进行研究，首先需建立其物理模型。本文采用Solidworks三维建模软件进行建模，如图2-1和图2-2所示。

图2-1 方型热桥模型

图2-2 圆柱型热桥模型

由于热桥部位传热过程比较复杂，并且其温度场是三维非稳态的。利用傅立叶定律和热力学第一定律，建立导热偏微分方程如下所示：

Q z

z y T y x T x T c

+????+????+????=??)()()(λλλτρ （1）

其中，ρ为密度，单位为kg/m 3；C 为比热容，单位为J/(kg ·K)；λ为导热系数，单位为W/(m ·K)；Q 为单位时间物体单位体积内热源的生成热，单位为W/m 3；x,y,z 均为空间变量；τ为时间变量。假设无内部热源，热桥内外表面温度虽然随室外温度发生变化，但需要控制的是墙体内外表面的最低温度，这样就可以按照稳态的方法计算建筑热桥内外表面的最低温度，所以式（1）可以简化为：

0222222=??+??+??z

y T x T λλλ （2）设置边界条件，如下表2-1所示。

表2-1 参数设置

然后利用COMSOL 仿真软件，设置边界条件，对两个热桥模型进行相应的网格划分。考虑到网格数对计算结果精度和计算机性能配置的影响，故选择下面的网格模型，如图2-3和图2-4所示：

图2-3 方型热桥网格划分图

图2-4 圆柱型热桥网格划分图

图2-3是由724801个域单元、20970个边界元和646个边单元组成的完整网格；图2-4是由644427个域单元、19554个边界元和1056个边单元组成的完整网格。

https://www.360docs.net/doc/ab8688636.html,SOL模拟结果

图3-1 方型热桥一维线图

图3-2 圆柱型热桥一维线图

图3-3 方型热桥二维截面图

图3-4 圆柱型热桥二维截面图

图3-5 方型热桥三维图

图3-6 圆柱型热桥三维图

4.结果、分析与讨论

由以上图分析可知，无论是圆柱型热桥还是方型热桥，这些建筑部位的传热能力较强，热桥处内表面温度较低（与无热桥存在的建筑部位相比），即验证了热桥效应的特征之一：内表面温度低。且无论是方型热桥还是圆柱型热桥，热桥处的热流较密集，散热能力较强，即验证了热桥效应的特征之二：热桥处热流比较密集。故提出相应措施：在热桥墙体外表面添加保温材料。此措施有待人们进行验证，在此不做过多赘述。本文基于Solidworks软件进行三维建模，基于COMSOL软件对两种热桥三维稳态传热情况进行仿真分析，得出了热桥效应产生的原因，并验证了该效应的两大特征。运用该仿真软件，可直观的看出热桥的温度分布情况，为建筑保温设计提供了可靠的依据。

参考文献

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