D01:10.13374.isml00103x.2009.0L.019 第31卷第1期 北京科技大学学报 Vol.31 No.I 2009年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2009 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)倪文)梁银英) 1)河北理工大学资源与环境学院，唐山0630092)北京科技大学土木与环境工程学院，北京10083 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(P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TU551.39 Numerical simulation of heat conduction in polyfoam-fly ash thermal insulation materials NIU Fu-sheng.NI Wen2,LIANG Yin-ying) 1)Collge of Resources and Envimnment,Hebei Poly techric Uriversity.Tangshan 063009.China 2)School of Civil and Envimonmental Engineering.University of Scienee and Technology Beijing.Beijng 100083.China ABSTRACI The mechanism of heat conduction in poly foam-fly ash thermal insulation materials (FP)was studied w ith a finite ele- ment softw are 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 w ere proposed for design and preparation of thermal insulation materals. KEY WORDS polyfoam-fly ash thermal insulation materials heat conduction numerical simulation;thermal conductivity 粉煤灰泡沫塑料复合保温材料(FP材料)是一 个且按一定规则相互连接的单元，然后组合为系统 类建筑新型屋面功能材料，具有导热性能低、自重 方程并求解2.本文运用有限元软件ANSYS的 轻、强度高和成本低等特点，特别是与市面上保温材 THERMAL模块，对FP材料的传热机理进行数值 料相比在实际应用中更具有工程造价低廉和施工方 模拟，并将模拟结果与实测结果进行了拟合 便的优势).但是，FP材料是一种无机和有机的复 1粉煤灰泡沫塑料复合保温材料 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 1.1材料构成及性能指标 空心微珠、蜂窝状体，内部传热机理十分复杂，它直 粉煤灰泡沫塑料复合保温材料是以粉煤灰胶凝 接影响材料的保温隔热性能.因此，加强材料内部 材料为主体（质量约占80%，以废旧泡沫塑料为轻 传热途径和传热方式的研究，将有助于了解材料内 集料（体积分数约占70%以上）制成的具有防水隔 部传热机理，对提高材料隔热效能具有重要的指导 热功能的绿色建筑材料.该材料质量指标及检测方 意义. 法主要参照国家建筑材料测试中心采用的GB/ 有限元法主要应用于连续体力学、热传导和电 T10699一1998和GB8001一87，其有关质量标准及 磁场等领域，其基本思想是将求解区域离散为有限 测试结果见表1. 收稿日期：2007-12-10 作者简介：牛福生(1974一），男，副教授，博士，E-mail:niufusheng@hcut.edu.cm
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 +1.39 Numerical simulation of heat conduction in polyfoam-fly ash thermal insulation materials NIU Fu-sheng 1) , NI Wen 2) , LIANG Yin-ying 1) 1) College of Resources and Environment, Hebei Poly techni c Universit y, Tangshan 063009, China 2) School of Civil and Environment al Engineering, Universit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The mechanism o f hea t conduction in poly foam-fly ash thermal insulatio n materials ( FP) was studied w ith a finite element softw are 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 simulatio n of heat conduction in FP materials .Based on the results of analysis, some measures w ere proposed for design and preparation of thermal insulatio n materials. KEY WORDS polyfoam-fly ash thermal insulation materials;heat conductio n;numerical simulation ;thermal conductivity 收稿日期:2007-12-10 作者简介:牛福生( 1974—) , 男, 副教授, 博士, E-mail:niufusheng @heut .edu.cn 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 1.1 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 GB/ T10699 —1998 和 GB8001 —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 University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.1 Jan.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.01.019
。104 北京科技大学学报 第31卷 表1粉煤灰泡沫塑料复合保温材料性能测试结果 也可以不考虑泡沫塑料球表面的热辐射.因此，对 Table I The results of fly ash-foam plastic poly phase compound mate 于FP多相复合材料的传热过程，可以简单地认为 rials 只存在一种传热方式一热传导0 平均隔热主层体积密度(kgm一632 平均抗折强度/MPa 1.6 平均抗压强度/MPa 27 导热系数/(Wm-1K-) 0101 抗冻性(15次) 无裂纹、脱皮和剥落等损坏现象 顶面饱和浸泡7d地面不渗水、不 抗渗性(7d) 潮湿 可燃性 不燃烧 图2FP多相复合材料传热过程示意图 Fig.2 Heat transfer process of fly ash-foam plastic poly-phase com- 浸水168h(25℃再烘干质量变化 质量体积稳定性 pound mat erials 率≤士01% 12生产工艺 3传热过程数学模型的建立 为避免在大面积屋面施工中出现微裂缝而导致 3.1模型建立的假设条件 抗渗性能降低，通常粉煤灰泡沫塑料复合保温材料 由于FP材料为多相复合材料，其热传导过程 先由工厂生产加工成斜面式块型，然后运输到所要 非常复杂，根据研究对象的物理性能和实际使用情 施工的工地进行屋面工程的铺砌，生产工艺流程如 况，在进行P材料导热系数数学模型建立之前，可 图1所示. 以采用以下几个设定的条件， 粉煤灰 (1)泡沫塑料球均为直径3mm,空心微珠的直 废旧泡沫 破碎 表面改性 径均为0.2mm:相对于泡沫塑料球而言，空心微球 制模养护24h 碱激发剂 在单元体中可近似看到实心小球 膨胀剂 (2)由于空心微珠仅为粉煤灰质量的0.5%左 右，其堆积密度为350kg°m3,所以相对于泡沫塑 无模码跺养护 包装入库运往工地 料球的体积而言，其在单元体中的体积可不单独考 图1：粉煤灰泡沫塑料复合保温材料生产工艺流程 虑. Fig.I Preparation process for fly ash foam plastic poly-phase com (3)空心微珠和泡沫塑料颗料球在整个材料的 pound materials 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 2传热过程的理论基础 和球内的对流为零 常见的热传递过程有热传导、热对流和热辐射 (5)温度沿热流方向是呈线性分布的. 三种方式.在实际的热传递过程中都是以这三种方 由以上假设条件，可以将FP多相复合材料离 式复合进行的，只不过有时因为一种或两种热传递 散成一系列单元相互连接而成，每个单元是由粉煤 的影响较小，可以对其热传递的过程进行简化处 灰胶凝体包含着一个空心微球和一个泡沫塑料球的 理一.FP材料为多相复合材料，它包括粉煤灰凝 立方体单元的导热系数等效于整个FP材料的导 胶相、空心微珠，泡沫塑料球壁相和气体相，因此材 热系数 料中传热过程也将以凝胶体热传导、泡沫塑料闭孔 3.2单元模型的建立 内气体热对流和泡沫塑料球表面之间的热辐射三种 根据建立单元体模型所设定的条件，可以很容 方式同时进行，如图2所示. 易地建立起FP多相复会材料的一个单元体物理模 但在实际对FP材料传热过程分析时，由于空 型（如图3所示）.在图中T>T2,即热量是由左向 心微珠和泡沫塑料颗粒内的闭孔尺寸很小，在其内 右传递的. 部发生热对流可以被认为是零：而发生在泡沫塑料 由图3可知，一个完整单元体是由粉煤灰胶凝 球表面的热辐射也因为材料的使用温度低于80℃ 体(1)、空心微球(2)、泡沫塑料球壁(3)和泡沫塑料 而导致辐射传热在全部传热中所占的比例很小，故 球内空气(4)四部分构成.根据热传导的串并联原
表 1 粉煤灰泡沫塑料复合保温材料性能测试结果 Table 1 The results of fly ash-foam plastic poly phase com pound mat erials 平均隔热主层体积密度/ (kg·m -3 ) 632 平均抗折强度/ MPa 1.6 平均抗压强度/ MPa 2.7 导热系数/ ( W·m -1·K -1 ) 0.101 抗冻性( 15 次) 无裂纹、脱皮和剥落等损坏现象 抗渗性( 7 d) 顶面饱和浸泡 7 d, 地面不渗水、不 潮湿 可燃性 不燃烧 质量体积稳定性 浸水168 h( 25 ℃) 再烘干质量变化 率≤±0.1% 1.2 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-foam plasti c poly-phase compound materials 2 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-foam plastic poly-phase compound mat erials 3 传热过程数学模型的建立 3.1 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 3 mm, 空心微珠的直 径均为 0.2 mm ;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 0.5 %左 右, 其堆积密度为 350 kg·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 . 3.2 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 T1 >T2, 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 · 104 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
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 105。 2 的对流换热系数为25W(mK)-1.模型加载荷后 空心微球 ,粉煤灰 胶凝体 的情况如图4所示. 泡沫塑料球 N 图3FP多相复合材料单元体模型 Fig.3 Element model of poly-phase com pound 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 图4FP多相复合材料单元的加载(2D) 个材料相同时，单元体的等效导热系数就可以认为 Fig.4 Poly-phase compound material loading 是整个材料的导热系数. 4.3网格划分 4数值模拟 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 由于FP材料是无内热源材料，即流入单元体 分，设定的参数为3，单元类型为三角型，FREE网 的热量加上单元体自身产生的热量等于流出单元体 格划分.结果如图5所示. 的热量，可以认为FP材料处于热稳态中：因此对 N 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 41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0.18%，粒径为 0.2mm.经计算确定单元体模型的参数如表2所 图5FP多相复合材料单元的网格划分(2D) 示. Fig.5 Mesh division of the poly phase compound material 表2FP多相复合材料单元模型参数 4.4单元体的求解 Table 2 Element parameter model of the fly ash-foam phstic heat insu- 使用求解器对FP材料单元体模型进行求解， lating material 可以得出单元体的温度图（如图6所示和单元体的 导热系数/ 单元体尺寸 单元体组成 热流矢量图（如图7所示.图中不同颜色表示不同 (W“m1K-) (r和)/mm 的温度区间，热流线的密度表示热量流的大小. 粉煤灰胶凝体 01875 一 由图6温度云图结果可知，单元体中的温度基 空心微珠 0065 01 本上随着热流的传递呈现出由高向低分布且较为明 泡沫塑料壁 0041 15 显.图7热矢量云图结果可以看出，空心微球和泡 空气层 0023 12 沫塑料球在阻断热量传递方面作用明显.热流遇到 注：单元体边长1为5736mm,设定单元类型为二维实体 空心微球后急速向两边分流，球内热量较少：而遇到 PLANE35、六节点三角型单元. 泡沫塑料球后，热量基本上没有流入球内，而是沿着 42模型加载 球壁后侧进行传递.这也是FP材料内空心微球和 在FP材料热稳态模拟传热过程中，热量是由 泡沫塑料在整个材料中是导热系数的较大影响因素 左向右进行传送的.右面施加第一类边界条件（温 的原因. 度载荷)，施加的温度为30℃：左面施加第二类边界 为进一步了解在某一路径上FP材料单元体的 条件（对流载荷），所施加的环境温度为25℃气体 温度云图，将MIDDLE路径上的温度映射到路径
图 3 FP 多相复合材料单元体模型 Fig.3 Element model of poly-phase com pound 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. 4.1 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 0.18 %, 粒 径 为 0.2 mm .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 Table 2 Element paramet er model of the fly ash-foam plastic heat insulating 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 0.187 5 — 空心微珠 0.065 0.1 泡沫塑料壁 0.041 1.5 空气层 0.023 1.2 注:单元体边长 l 为 5.736 mm , 设定单元类型为二维实体 PLANE35 、六节点三角型单元. 4.2 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 25 W·( 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-phase compound mat erial loading 4.3 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 mat erial 4.4 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 IDDLE 路径上的温度映射到路径 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 · 105 ·
106 北京科技大学学报 第31卷 NODAL SOLOTION ANYS () STEPSI e=话 SUB-1 TIME-1 在二维模型中，Q为单位长度上的热量，且由 TEMP(AVG) RSYS-O 于单元体为正方体，边长为： SMN-26.541 SMX=2838 9-x7 (2) =品 (3) 26.54126.9527.362776928.179 式中，Q为热量，△T为温度差，入为导热系数：入为 26.74627.15527.565 27.97428.383 有效导热系数 图6FP材料的单元的温度云图(2D) 因此将用程序求出的VALUE值和温度差代入 Fig.6 Element temperature nephogrm of the poly phase com pound 式中，即可得出单元体的有效导热系数入。的值. material POST STEP-I 新 SUB-1 TIME-I 28.382 VECTOR 5P=1 PATH PLOT SUB-I NODI-153 28.012 TIME-l N0D2=75 TE 27.644- ELEM-719 MN-11.249 27.275 MAX-83.013 26.908 265400822634a452536 0.5741.7222.8704.0185.166 19223 83.013 图9FP材料单元的M IDDLE路径温度图 图7P材料单元的热矢量云图(2D) Fig.9 Eement temperature of MIDDLE path Fig.7 Element heat vector mephogram of the poly phase com pound material 5导热系数数值模拟与实测结果对照 上，如图8所示 材料的导热系数是表征物质导热能力的一个重 由图9路径温度图结果可知，单元体在此路径 要热物性参数，利用有限元软件ANSYS能够比较 上温度曲线出现了两个较明显的转折点，即在此路 准确地模拟P材料的实际传热过程口，通过程 径下温度遇到了空心微球和泡沫塑料时，界面处出 序可以得出材料的有效导热系数.为了进一步验证 现了温度的明显变化. FP材料导热系数数值模拟的结果与实测结果之间 最后，可以使用ANSYS的List Results\Reac 的差异，对P材料的导热系数进行了实验室检测 tion Solu求出Heat,根据傅里叶定律： 和数值模拟.其中实测时的导热设备为DRF一1型 导热系数测定仪（天津建筑仪器试厂），测试环境为 NODAL SOLUTION N STEPel 热面板30℃冷面板为25℃，测试结果如表3所 SUB-1 TIME-1 示 TEMP(AVG) RSYS-0 表3P材料的实测导热系数 SMN=26.541 SMX=28.383 Table 3 Measured heat conductivity of the poly-phase compound mate- rial 泡沫塑料 导热系数/(W·m1K-) 掺加量/% 实测值 数值模拟值 265467493715373525忍799728183s 26,74627155 28.383 0.1176 01098 00945 0.0937 图8P材料单元的温度路径图(2D) 00857 00823 Fig.8 Element temperature path of the poly phase compound mate 00827 0.0796 rial
图 6 FP 材料的单元的温度云图( 2D) Fig.6 Element temperature nephogram of the poly phase com pound mat erial 图 7 FP 材料单元的热矢量云图( 2D) Fig.7 Elemen t heat vector nephogram of the poly phase com pound mat erial 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 material 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 Reaction Solu 求出 Heat, 根据傅里叶定律 : Q =λ d T dy ( 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 ; Q l =λΔT l ( 2) λe = Q ΔT ( 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 VA LUE 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M IDDLE 路径温度图 Fig.9 Element temperature of MIDDLE path 5 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 Table 3 Measu red heat conductivity of the poly-phase compound material 泡沫塑料 掺加量/ % 导热系数/ ( W·m -1·K-1 ) 实测值 数值模拟值 1 0.117 6 0.109 8 2 0.094 5 0.093 7 3 0.085 7 0.082 3 4 0.082 7 0.079 6 · 106 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
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 ·107。 由表3结果可知，数值模拟得到的FP材料的 4 MoaveniS.Finite Element Analysis.Translated by Ouyang Y. 导热系数基本上接近实测结果，表明本文建立的单 Beijing Electronics Industry Press,2003 (Moaveri S.有限元分析.欧阳字，译.北京：电子工业出版 元模型和进行的传热过程理论分析是比较合理和可 社，2003) 行的，同时也说明为建立模型所设定的条件也是比 I5 Li H Y,Zhou T P.Liu XX.ANSYS Engineering Calculation 较合适的.数值模拟结果普遍较实测结果略低，是 Application Course.Beijing:Chinese Railroad Press,2003 因为实际传热过程是非常复杂的，而所建立的单元 (李皓月，周田朋.刘相新.ANSYS工程计算应用教程.北 模型是经过设定条件下的简化模型，忽略了材料在 京：中国铁道出版社，2003) [6 Liang J Z,Li F H.FEA of heat transfer in NR/hollow bead com- 实际传热过程中的其他传热途径和传热方式所致. posite.China Rubber Ind,2004(10):58 6结论 (梁基照，李锋华.NW中空微球复合材料传热的有限元分析. 檬胶工业，200410)：58) (1)粉煤灰一泡沫塑料保温材料作为建筑屋面 [7 MuZ G,Hou X W,Ning P H,et al.Optimum design of httice 新型功能材料具有复杂的传热机理.为了准确了解 grid stnuctures based on discrete variabes in the envimnment of 其内部传热途径和传热方式，采用有限元方法对其 ANSYS.J Univ Sci Technol Beijing,2006(5):417 (牟在根，侯晓武，宁平华，等.ANSYS环境下基于离散变量 传热过程进行数值模拟. 的网架结构优化设计.北京科技大学学报，2006(5)：417) (2)在对其传热过程理论分析的基础上，建立了 [8 Yuan Y P.Cheng B Y.Mao J F.Error analysis of heat transfer FP材料传热过程的单元模型，并选取了单元模型计 model of enclosure structure based on ANS YS.Costruction Ma- 算参数. chinery For Hydraulic Engineering Power Station,2003. (3)FP材料等效导热系数的数值模拟结果与实 (6):45 (袁艳平，程宝义，茅新丰.浅埋工程围护结构传热简化模型 测结果具有较好的一致性，说明采用有限元方法可 误差的有限元分析.制冷空调与电力机械，2003(6)：45) 以实现对材料传热过程的分析与模拟，有助于准确 [9 Wang F L,Song J L,Tan G Y.et al.Creating of complex finite 了解材料内部复杂的传热机理. element model in the ANSYS.J Harbin Uniy Sci Technol.2003 (3):22 (王风丽，宋继良，谭光宇，等.在ANSYS中建立复杂有限元 参考文献 模型.哈尔滨理工大学学报，2003(3)：22) [1]Niu FS,Zhang J R.Ni W.Construction techndlogy of high con- 10 Wang L T.Application skills of A NSYS:a genemal firite cle tent fly ash block inverted moof w ith waterproof and themal insu- ment analysis softw are package.J Anhui Univ Technol Sci. lation.New Build Mater,2005(1):50 2003(3):51 (牛福生，张锦瑞，倪文.大掺量粉煤灰防水隔热砌块倒置式 (王立涛.大型有限元分析软件：ANSYS的应用技巧.安徽工 屋面施工技术.新型建筑材料，2005(1)：50) 程科技学院学报：自然科学版，2003(3)：51) [2]Shang F M.Zhang Y.The application of ANSYS in mumerical [11]Zhang J F.W ang C L.Wu Y P.Application of ANS YS in heat- heat transmitting.J Changchun Univ Inst Tech nol,2004(1):18 analy sis.Energy Metall Ind,2004(5):33 (商福民，张永.ANSYS有限元分析系统在数值传热中的应 (张建峰，王翠玲，吴玉萍.ANS YS有限元分析软件在热分 用.长春工程学院学报：自然科学版，20041)：18) 析中的应用.治金能源，2004(5)：33) [3]Tang X L.ANSY S Project App lication Course.Beiing Chinese 12 Wu X,Zhou X Y.How to load dy namic boundary condition in Railroad Press,2003 ANS YS.J Wuhan Textile Sci Tech mol Ins,2005(5):39 (唐兴伦.ANS YS工程应用教程.北京：中国铁道出版社， (吴晓周星元.如何在ANS YS中实现动态边界条件的加 2003) 载.武汉科技学院学报，2005(5)：39)
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 cont ent fly ash block invert ed roof w ith w at erproof and thermal insulation.New Build Mater, 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] S hang F M, Zhang Y .The application of ANSYS in numeri cal heat transmitting .J Changchun Uni v Inst Tech nol, 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 .ANSY S Project App lication Course .Beijing:C hinese Railroad 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.F inite Elemen t Analysis.Translated by Ouyang Y . Beijing:Electroni cs Industry Press, 2003 ( Moaveni S .有限元分析.欧阳宇, 译.北京:电子工业出版 社, 2003) [ 5] Li H Y, Zhou T P, Liu X X .A NS YS E ngineering Ca lcula tion Application Course .Beijing :Chinese Railroad Press, 2003 (李皓月, 周田朋, 刘相新.ANSYS 工程计算应用教程.北 京:中国铁道出版社, 2003) [ 6] Liang J Z, Li F H .FEA of heat transf er in NR/ hollow bead composit e.China R ubber Ind , 2004( 10) :58 ( 梁基照, 李锋华.NR/ 中空微球复合材料传热的有限元分析. 橡胶工业, 2004( 10) :58) [ 7] Mu Z G, Hou X W, Ning P H, et al.Optimum design of lattice grid structures based on discret e variables in the environmen t of ANSYS.J U niv Sci Technol Beijing, 2006( 5) :417 ( 牟在根, 侯晓武, 宁平华, 等.ANSYS 环境下基于离散变量 的网架结构优化设计.北京科技大学学报, 2006( 5) :417) [ 8] Yuan Y P, Cheng B Y, Mao J F.Error analysis of heat transfer model of enclosure structure based on ANSYS.Construction Machinery For Hydraulic Engineering & Power S ta tion , 2003, ( 6) :45 ( 袁艳平, 程宝义, 茅靳丰.浅埋工程围护结构传热简化模型 误差的有限元分析.制冷空调与电力机械, 2003( 6) :45) [ 9] Wang F L, Song J L, Tan G Y, et al.C reating of complex finite element model in the ANSYS.J Harbin Uni v Sci Technol, 2003 ( 3) :22 ( 王凤丽, 宋继良, 谭光宇, 等.在 ANSYS 中建立复杂有限元 模型.哈尔滨理工大学学报, 2003( 3) :22) [ 10] Wang L T .Application skills of ANSYS :a general finite element analysis softw are package.J A nhui U niv Technol Sci, 2003( 3) :51 ( 王立涛.大型有限元分析软件:ANSYS 的应用技巧.安徽工 程科技学院学报:自然科学版, 2003( 3) :51) [ 11] Zhang J F, Wang C L, Wu Y P .Application of ANSYS in heatanalysis.Ener gy Metall Ind , 2004( 5) :33 ( 张建峰, 王翠玲, 吴玉萍.ANSYS 有限元分析软件在热分 析中的应用.冶金能源, 2004( 5) :33) [ 12] Wu X, Zhou X Y .How to load dynami c boundary condition in ANSYS.J Wuhan Textile Sci Tech nol Ins, 2005( 5) :39 ( 吴晓, 周星元.如何在 ANSYS 中实现动态边界条件的加 载.武汉科技学院学报, 2005( 5) :39) 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 · 107 ·