粉煤灰泡沫塑料复合保温材料传热过程的数值模拟

粉煤灰泡沫塑料复合保温材料传热过程的数值模拟牛福生1)　倪　文2)　梁银英1)1)河北理工大学资源与环境学院,唐山063009　2)北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083摘　要　应用有限元软件ANSYS 研究了粉煤灰泡沫塑料复合保温材料(FP 材料)的传热机理.材料导热系数数值模拟结果与实测结果具有很好的一致性,说明采用有限元方法可以实现对材料传热过程的数值模拟.根据分析结果,提出了对保温材料设计和制备时的一些建议.关键词　煤灰泡沫塑料复合保温材料;传热机理;数值模拟;导热系数分类号　TU 55+1139Numerical simulation of heat conduction in polyfoam 2fly ash thermal insulation materialsN IU Fu 2sheng1),N I Wen2),L IA N G Yin 2ying1)1)College of Resources and Environment ,Hebei Polytechnic University ,Tangshan 063009,China2)School of Civil and Environmental Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,ChinaABSTRACT The mechanism of heat conduction in polyfoam 2fly ash thermal insulation materials (FP )was studied with a finite ele 2ment software ANSYS.The numerical simulation results of heat conductivity are agreeable with the measured ones ,indicating that the finite element method can be applied to numerical simulation of heat conduction in FP materials.Based on the results of analysis ,some measures were proposed for design and preparation of thermal insulation materials.KE Y WOR DS polyfoam 2fly ash thermal insulation materials ;heat conduction ;numerical simulation ;thermal conductivity收稿日期:2007212210作者简介:牛福生(1974—),男,副教授,博士,E 2mail :niufusheng @ 粉煤灰泡沫塑料复合保温材料(FP 材料)是一类建筑新型屋面功能材料,具有导热性能低、自重轻、强度高和成本低等特点,特别是与市面上保温材料相比在实际应用中更具有工程造价低廉和施工方便的优势[1].但是,FP 材料是一种无机和有机的复合材料,不仅泡沫塑料中含有超过90%的微米和亚微米级的闭孔结构,而且粉煤灰中也存在着大量的空心微珠、蜂窝状体,内部传热机理十分复杂,它直接影响材料的保温隔热性能.因此,加强材料内部传热途径和传热方式的研究,将有助于了解材料内部传热机理,对提高材料隔热效能具有重要的指导意义.有限元法主要应用于连续体力学、热传导和电磁场等领域,其基本思想是将求解区域离散为有限个且按一定规则相互连接的单元,然后组合为系统方程并求解[2-4].本文运用有限元软件ANSYS 的THERMAL 模块,对FP 材料的传热机理进行数值模拟,并将模拟结果与实测结果进行了拟合.1　粉煤灰泡沫塑料复合保温材料111　材料构成及性能指标粉煤灰泡沫塑料复合保温材料是以粉煤灰胶凝材料为主体(质量约占80%),以废旧泡沫塑料为轻集料(体积分数约占70%以上)制成的具有防水隔热功能的绿色建筑材料.该材料质量指标及检测方法主要参照国家建筑材料测试中心采用的G B/T10699—1998和G B8001—87,其有关质量标准及测试结果见表1.第31卷第1期2009年1月北京科技大学学报Journal of U niversity of Science and T echnology B eijingV ol.31N o.1Jan.2009表1　粉煤灰泡沫塑料复合保温材料性能测试结果T able 1　The results of fly ash 2foam plastic poly phase compound mate 2rials平均隔热主层体积密度/(kg ・m -3)632平均抗折强度/MPa 116平均抗压强度/MPa 217导热系数/(W ・m -1・K -1)01101抗冻性(15次)无裂纹、脱皮和剥落等损坏现象抗渗性(7d )顶面饱和浸泡7d ,地面不渗水、不潮湿可燃性不燃烧质量体积稳定性浸水168h (25℃)再烘干质量变化率≤±011%112　生产工艺为避免在大面积屋面施工中出现微裂缝而导致抗渗性能降低,通常粉煤灰泡沫塑料复合保温材料先由工厂生产加工成斜面式块型,然后运输到所要施工的工地进行屋面工程的铺砌,生产工艺流程如图1所示.图1　粉煤灰泡沫塑料复合保温材料生产工艺流程Fig.1　Preparation process for fly ash 2foam plastic poly 2phase com 2pound materials2　传热过程的理论基础常见的热传递过程有热传导、热对流和热辐射三种方式.在实际的热传递过程中都是以这三种方式复合进行的,只不过有时因为一种或两种热传递的影响较小,可以对其热传递的过程进行简化处理[5-6].FP 材料为多相复合材料,它包括粉煤灰凝胶相、空心微珠、泡沫塑料球壁相和气体相,因此材料中传热过程也将以凝胶体热传导、泡沫塑料闭孔内气体热对流和泡沫塑料球表面之间的热辐射三种方式同时进行,如图2所示.但在实际对FP 材料传热过程分析时,由于空心微珠和泡沫塑料颗粒内的闭孔尺寸很小,在其内部发生热对流可以被认为是零;而发生在泡沫塑料球表面的热辐射也因为材料的使用温度低于80℃而导致辐射传热在全部传热中所占的比例很小,故也可以不考虑泡沫塑料球表面的热辐射.因此,对于FP 多相复合材料的传热过程,可以简单地认为只存在一种传热方式———热传导[7-10].图2　FP 多相复合材料传热过程示意图Fig.2　Heat transfer process of fly ash 2foam plastic poly 2phase com 2pound materials3　传热过程数学模型的建立311　模型建立的假设条件由于FP 材料为多相复合材料,其热传导过程非常复杂,根据研究对象的物理性能和实际使用情况,在进行FP 材料导热系数数学模型建立之前,可以采用以下几个设定的条件.(1)泡沫塑料球均为直径3mm ,空心微珠的直径均为012mm ;相对于泡沫塑料球而言,空心微球在单元体中可近似看到实心小球.(2)由于空心微珠仅为粉煤灰质量的015%左右,其堆积密度为350kg ・m -3,所以相对于泡沫塑料球的体积而言,其在单元体中的体积可不单独考虑.(3)空心微珠和泡沫塑料颗料球在整个材料的粉煤灰胶凝体中均匀分布.(4)空心微珠和泡沫塑料颗料球表面的热辐射和球内的对流为零.(5)温度沿热流方向是呈线性分布的.由以上假设条件,可以将FP 多相复合材料离散成一系列单元相互连接而成,每个单元是由粉煤灰胶凝体包含着一个空心微球和一个泡沫塑料球的立方体,单元的导热系数等效于整个FP 材料的导热系数.312　单元模型的建立根据建立单元体模型所设定的条件,可以很容易地建立起FP 多相复会材料的一个单元体物理模型(如图3所示).在图中T 1>T 2,即热量是由左向右传递的.由图3可知,一个完整单元体是由粉煤灰胶凝体(1)、空心微球(2)、泡沫塑料球壁(3)和泡沫塑料球内空气(4)四部分构成.根据热传导的串并联原・401・北　京　科　技　大　学　学　报第31卷图3　FP 多相复合材料单元体模型Fig.3　Element model of poly 2phase compound materials理和比等效导热系数相等法则,多相复合材料只要其组成材料、组成的容积比、各成分的排列取向和整个材料相同时,单元体的等效导热系数就可以认为是整个材料的导热系数.4　数值模拟由于FP 材料是无内热源材料,即流入单元体的热量加上单元体自身产生的热量等于流出单元体的热量,可以认为FP 材料处于热稳态中;因此对FP 多相复合材料单元体进行的热分析为热稳态分析,单元体中任一节点的温度不随时间变化.411　计算参数的选取利用空心微球和泡沫塑料球在FP 材料中的体积分数可以计算出一个单元体内各组分之间的面积比,进而可以构建出模型求解.本文选定FP 材料的配方:粉煤灰70%,泡沫塑料球2%,其他28%.其中空心微珠占粉煤灰质量的0118%,粒径为012mm.经计算确定单元体模型的参数如表2所示.表2　FP 多相复合材料单元模型参数T able 2　Element parameter model of the fly ash 2foam plastic heat insu 2lating material单元体组成导热系数/(W ・m -1・K -1)单元体尺寸(r 和l )/mm粉煤灰胶凝体011875—空心微珠01065011泡沫塑料壁01041115空气层01023112 注:单元体边长l 为51736mm ,设定单元类型为二维实体PLAN E35、六节点三角型单元.412　模型加载在FP 材料热稳态模拟传热过程中,热量是由左向右进行传送的.右面施加第一类边界条件(温度载荷),施加的温度为30℃;左面施加第二类边界条件(对流载荷),所施加的环境温度为25℃,气体的对流换热系数为25W ・(m ・K )-1.模型加载荷后的情况如图4所示.图4　FP 多相复合材料单元的加载(2D )Fig.4　Poly 2phase compound material loading413　网格划分在确定对单元体进行正确的加载后,就要进行模型的网格划分.本文中的网格采用智能网格划分,设定的参数为3,单元类型为三角型,FREE 网格划分.结果如图5所示.图5　FP 多相复合材料单元的网格划分(2D )Fig.5　Mesh division of the poly phase compound material414　单元体的求解使用求解器对FP 材料单元体模型进行求解,可以得出单元体的温度图(如图6所示)和单元体的热流矢量图(如图7所示).图中不同颜色表示不同的温度区间,热流线的密度表示热量流的大小.由图6温度云图结果可知,单元体中的温度基本上随着热流的传递呈现出由高向低分布且较为明显.图7热矢量云图结果可以看出,空心微球和泡沫塑料球在阻断热量传递方面作用明显.热流遇到空心微球后急速向两边分流,球内热量较少;而遇到泡沫塑料球后,热量基本上没有流入球内,而是沿着球壁后侧进行传递.这也是FP 材料内空心微球和泡沫塑料在整个材料中是导热系数的较大影响因素的原因.为进一步了解在某一路径上FP 材料单元体的温度云图,将M IDDL E 路径上的温度映射到路径・501・第1期牛福生等:粉煤灰泡沫塑料复合保温材料传热过程的数值模拟图6　FP 材料的单元的温度云图(2D )Fig.6　Element temperature nephogram of the poly phase compound material图7　FP 材料单元的热矢量云图(2D)Fig.7　Element heat vector nephogram of the polyphase compound material上,如图8所示.图8　FP 材料单元的温度路径图(2D )Fig.8　Element temperature path of the poly phase compound mate 2rial由图9路径温度图结果可知,单元体在此路径上温度曲线出现了两个较明显的转折点,即在此路径下温度遇到了空心微球和泡沫塑料时,界面处出现了温度的明显变化.最后,可以使用ANSYS 的List Results \Reac 2tion Solu 求出Heat ,根据傅里叶定律:Q =λd Td y(1)在二维模型中,Q 为单位长度上的热量,且由于单元体为正方体,边长为l ;Ql=λΔT l(2)λe =QΔT(3)式中,Q 为热量,ΔT 为温度差,λ为导热系数;λe 为有效导热系数.因此将用程序求出的VAL UE 值和温度差代入式中,即可得出单元体的有效导热系数λe 的值.图9　FP 材料单元的MIDDL E 路径温度图Fig.9　Element temperature of MIDDL E path5　导热系数数值模拟与实测结果对照材料的导热系数是表征物质导热能力的一个重要热物性参数,利用有限元软件ANSYS 能够比较准确地模拟FP 材料的实际传热过程[11-12],通过程序可以得出材料的有效导热系数.为了进一步验证FP 材料导热系数数值模拟的结果与实测结果之间的差异,对FP 材料的导热系数进行了实验室检测和数值模拟.其中实测时的导热设备为DRF -1型导热系数测定仪(天津建筑仪器试厂),测试环境为热面板30℃,冷面板为25℃,测试结果如表3所示.表3　FP 材料的实测导热系数T able 3　Measured heat conductivity of the poly 2phase compound mate 2rial泡沫塑料掺加量/%导热系数/(W ・m -1・K -1)实测值数值模拟值1011176011098201094501093730108570108234010827010796・601・北　京　科　技　大　学　学　报第31卷 由表3结果可知,数值模拟得到的FP 材料的导热系数基本上接近实测结果,表明本文建立的单元模型和进行的传热过程理论分析是比较合理和可行的,同时也说明为建立模型所设定的条件也是比较合适的.数值模拟结果普遍较实测结果略低,是因为实际传热过程是非常复杂的,而所建立的单元模型是经过设定条件下的简化模型,忽略了材料在实际传热过程中的其他传热途径和传热方式所致.6　结论(1)粉煤灰-泡沫塑料保温材料作为建筑屋面新型功能材料具有复杂的传热机理.为了准确了解其内部传热途径和传热方式,采用有限元方法对其传热过程进行数值模拟.(2)在对其传热过程理论分析的基础上,建立了FP 材料传热过程的单元模型,并选取了单元模型计算参数.(3)FP 材料等效导热系数的数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性,说明采用有限元方法可以实现对材料传热过程的分析与模拟,有助于准确了解材料内部复杂的传热机理.参　考　文　献[1]　Niu F S ,Zhang J R ,Ni W.Construction technology of high con 2tent fly ash block inverted roof with waterproof and thermal insu 2lation.New B uil d M ater ,2005(1):50(牛福生,张锦瑞,倪文.大掺量粉煤灰防水隔热砌块倒置式屋面施工技术.新型建筑材料,2005(1):50)[2]　Shang F M ,Zhang Y.The application of ANSYS in numericalheat transmitting.J Changchun U niv Inst Technol ,2004(1):18(商福民,张永.ANSYS 有限元分析系统在数值传热中的应用.长春工程学院学报:自然科学版,2004(1):18)[3]　Tang X L.A NS YS Project A pplication Course .Beijing :ChineseRailroad Press ,2003(唐兴伦.ANSYS 工程应用教程.北京:中国铁道出版社,2003)[4]　Moaveni S.Fi nite Element A nalysis .Translated by Ouyang Y.Beijing :Electronics Industry Press 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