Метод прогнозирования теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий

Юркевич, Алексей Анатольевич

Метод прогнозирования теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Юркевич, Алексей Анатольевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ижевск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1999 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Метод прогнозирования теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий»

Автореферат диссертации на тему "Метод прогнозирования теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий"

о. ^ 4

На правах рукописи

£а0Ю

Юркевич Алексей Анатольевич

УДК 536.24+691:699.8

МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 1999

Диссертация выполнена в Ижевском государственном техническом университете (ИжГТУ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В. Н. Двденко

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Е. В. Корепанов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В. А. Тененев кандидат физико-математических наук, доцент С. Ю. Кисарова

Ведущее предприятие: Институт механики сплошных сред, г. Пермь

Защита состоится ¿^/¿¿^¿^ ^¿¿^С г в ^чаСов на заседании

диссертационного совета Д i00.70.01 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426000, г. Ижевск, ул. М. Горького, 222.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН

Автореферат разослан "_"_ 1999 г.

Ученый секретарь / _

диссертационного совета f)

к. ф.-м. н. fl/rjtr^ С. П. Копысов

ИНЬ.6 Оо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования являются процессы сложного теплообмена, протекающие в неоднородных строительных материалах и изделиях.

Предмет исследования - описываемые системами дифференциальных уравнений математические модели процессов сложного теплообмена.

Актуальность темы. Энергосбережение в настоящее время становится генеральным направлением современной технической политики Правительства Российской Федерации. В результате этого Минстрой Российской Федерации постановлением утвердил и ввел в действие с I сентября 1995года изменения вСНиПИ-3-79* "Строительная теплотехника", обеспечивающие существе! мое увеличение уровня теплозащиты новых и реконструируемых зданий.

Одним из основных направлений энергосбережения в строительной индустрии является повышение требований к теплозащитным свойствам ограждающих конструкции (стены, перекрытия и т. п.), которые могут быть реализованы применением эффективных теплоизоляционных материалов.

Таким образом, проектирование эффективных теплоизоляционных материалов, а также исследование их теплозащитных свойств является сегодня актуальной задачей.

Наибольший эффект может быть получен при использовании неоднородных материалов, состоящих из остова-скелета и полостей или пор, заполненных газом, например, воздухом.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НИР: ГР 01.9.70006123 "Разработка теории и методов расчета процессов тепломассообмена в многофазных газожидкосгнъи системах", проводимых в ИжГТУ.

Цель исследования - разработка расчетного метода прогнозирования эквивалентного коэффициента теплопроводности (X экв) неоднородных (пористых, пустотных) строительных материалов и изделий с учетом конвективного теплообмена и теплообмена излучением в полостях и порах.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена тестовыми расчетами и сравнением с экспериментальными данными.

На защиту выносится:

• метод расчета термогравитационной конвекции в полостях и порах в объемной постановке;

• метод прогнозирования эквивалентного коэффициента теплопроводности неоднородных строительных материалов и изделий с учетом конвективного теплообмена и теплообмена излучением;

• результаты численных исследований процессов сложного теплообмена в полостях и порах;

• результаты численных исследований теплоизоляционных свойств неоднородных строительных материалов и изделий с учетом сложного теплообмена в полостях и порах.

Научная новизна:

• Разработана физико-математическая модель (ФММ) термогравитационной конвекции в газовых полостях и порах в полной трехмерной постановке.

• Разработана ФММ сложного теплообмена в неоднородных строительных материалах и изделиях.

• Установлены соотношения между кондуктивной, конвективной и лучистой составляющими сложного теплообмена в полостях и порах.

• Установлена двойственность влияния увеличения пустотности на теплоизоляционные свойства материалов и изделий.

Практическая полезность. Созданный комплекс физико-математических моделей является теоретической базой для проектирования и производства строительных материалов и изделий с заданными теплоизоляционными свойствами.

Реализация результатов:

• акт о внедрении НПО "Ижсотопласт";

• включение работ по прогнозированию теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий в перечень приоритетных разработок Госстроя Удмуртской Республики (заключение Госстроя УР).

Апробация работы.

Результаты работы обсуждались на:

• XXX научно-технической конференции ИжГТУ (г. Ижевск, 1996 г.);_

• региональной научно-технической конференции "Проблемы энергоресурсосбережения и охрана окружающей среды" (г. Ижевск, 1998 г.);

• Российской университетско-академической научно-практической конференции (г. Ижевск, 1999 г.);

• Международной конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (г. Ижевск, 1999 г.);

• семинаре кафедры "Высшая математика" ИжГТУ (г. Ижевск, 1999 г.);

• семинаре в Институте прикладной механики УрО РАН (г. Ижевск, 1999 г.).

Основные публикации. По результатам работы имеется 14 публикаций, в том числе:

• статей: 4 опубликованные и I в печати;

• 2 научно-технических отчета;

• тезисов доклада на научных конференциях: 1 опубликованный и 6 находящихся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация изложенна на 125 страницах машинописного текста. Содержит введение, 4 главы и заключение. В работу входят: 75 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 90 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследования, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ существующих методов определения коэффициента теплопроводности неоднородных строительных материалов и изделий. Приводится обзор работ по учету термогравитационной конвекции и теплообмена излучением в полостях и порах. Завершается глава параграфом, в котором сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию физико-математической модели сложного теплообмена в газовой полости или поре.

В воздушных полостях и порах передача теплоты осуществляется гремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Этот сложный процесс теплообмена, может быть заменен равновеликой (эффективной) теплопроводностью с соответствующим коэффициентом. Эффективный коэффициент теплопроводности в воздушной полости (Д эф ) будет складываться из коэффициента теплопроводности газа (Л т ), составляющей лк ). учитывающей влияние конвекции, и составляющей (8 11{ЗЛ), учитывающей влияние излучение на процессы теплопередачи:

Л ЭФ = А Т + 3 + 8 Л ИЗЛ~ ^ ГДГ+<^ 1Н1Л-

Здесь X тк - составляющая X оф. , учитывающая конвективный теплообмен (теплопроводность и конвекцию) в полости или поре, которая определяется следующим образом:

здесь ? - плотность теплового потока за счет теплопроводности и конвекции; /г ,/х -температура на нагреваемой и охлажденной поверхности газовой полости; Ь,М,Н-эквивалентные высота, ширина и глубина газовой полости.

Плотность теплового потока д определяется в результате решения задачи конвективного теплообмена в полости или поре.

гае Я = Ч л«о= Ч :

Схема для расчета конвективного теплообмена в полости или поре

Гх

гЧ

Чх-о

-Р-

и Чх-н

Гг

Рис. 1

Термогравитационная конвекция несжимаемой вязкой жидкости в приближении Буссинеска описывается следующей системой уравнений: — уравнения вихря

дтг гд(оу „доз у „,дФ у А дг дх ЗХ ЗУ 32

д2ах д2<о дХг

ди

ЗУ2 д\]

д2'

ди

-¥й)г——+со у-+ а 7

хдХ гдУ 1 д2

да> ,

дх ЗХ

+ У-

,да> , "дУ

дсо

эг

д~ а

д1 ш у д1 6)

дХ1 дУг ЗУ

дУ

Га*Тх +

доз , г,до) , „да, ,да>? \дга>7 дг о, дг а,

дУУ ЗФ д1У

—уравнение энергии, описывающее температурное поле в движущейся жидкости

д1 тт д I _ д I ( дЧ дЧ д2

■+и —— + У +ГУ а „ .. ■, + „ „ , + ■

дт дХ дУ 32 \дХг ЗУ2 д2г — уравнения составляющих вектора скорости тт У г 3 У г - у = д V х дУ г _ ¿У х

дУ зг ' зг дх ' дх дУ

- уравнения векторного потенциала (уравнения Пуассона)

V X ^ 3 2 у ,у д 2 у х __

з х 1 + & у г + -

дг У У , дг V у , дг V Г „

а х 2 + <? г2 + ! " "

<? 2 V х V г ^ ¥ 2 _

«? x 2 + <? у 2 + г 2 - г.

-граничные условия для уравнений вихря

при I = 0 н I = Я в плоскостях перпендикулярных оси X

со г= О

д цг у д у 7

при У = 0 и У = I в плоскостях перпендикулярных оси К

_ У х д 1 V г

¿у1 , ®Г= 0, »2= -

при 2=0 и2 = М в плоскостях перпендикулярных оси 2

&г V х д 1 у/ у

ш~ ,а^ ~. ® ¿=0;

- граничные условия для уравнений Пуассона

при Х = 0 и 1= Яв плоскостях перпендикулярных оси ЛГ

9 У у „

¿> X ~ . С У= 0 , У 0 .

при У = 0 и У = в плоскостях перпендикулярных оси У

д V у п У 0 . <3 Г , Г 2= 0 ,

при 2=0 и 2 = А/ в плоскостях перпендикулярных оси 2 -=0-

9 ¥ г

у х= 0 , V г= 0 , ^

—на всех поверхностях поры или полости V = К = В7 =0 (условие прилипания);

—граничные условия для уравнения энергии

Ггх при X = О в плоскостях перпендикулярных оси X , ПрИ х ~ II '

в плоскостях перпендикулярных оси У, при У = 0 и У = Ь 9 = 0 ■ в плоскостях перпендикулярных оси X, при г = 0 = М

При других вариантах расчетов граничные условия для уравнения энергии в плоскостях перпендикулярных осям У и 2 могут видоизменяться.

Здесь и , у, \у- составляющие скорости по координатам х > У, м/с; со х, а г, со г - составляющие вихря по координатам Х< У, Х, 1Л;; у/ х, у> у, I// г - составляющие соленоидалыюго векторного потенциала по координатам X > х> м2/с; к - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; р = 1/(273 + 0' коэффициент температурного расширения газа, 1/К; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; t - температура, определяемая на основе численного решения, °С.

Данная система уравнений решена численно методом конечных разностей по неявной схеме переменных направлений (схема стабилизационной поправки) с разностями против потока. Стационарное решение достигается методом установления.

В данной главе также рассмотрена сходимость и устойчивость принятого метода численного решения.

Рис. 2. Изотермы в сечениях Z/M= 0,1; 0,5; 0,9 (слева направо), перпендикулярных оси 2: а- большая полость; б- малая полость.

На рис. 2 представлены расчетные картины температурных полей в центральном (2/М = 0,5) к боковых (г/М = 0,1 и 2/М = 0,9) сечениях перпендикулярных оси х- Рассмотрены большая (рис. 2 а) и малая полость (рис. 2 б).

Анализ картин температурных кривых показывает, что свободная конвекция в большой полости (рис. 2 а) выравнивает температуру газа в ядре по оси х ■ В малой полости (рис. 2 б) этого выравнивания нет. Сравнение изотерм в центральном сечении и сечениях, расположенных у боковых стенок показывает влияние стенок на свободно-конвективное течение. Это влияние выявляется только при объемной постановке задачи конвективного теплообмена в полостях или порах. Температурные поля в центральном сечении (рис. 2 а, б) качественно повторяют двухмерные картины, опубликованные в литературе разными авторами.

а б

Рис. 3. Расчетные и опытные значения коэффициента конвекции г к .

Расчетные значения X тк, учитывающей конвективный теплообмен, сопоставлялись с опытными данными Михеева М. А. и Эккерта Э. Р. по вертикальным воздушным прослойкам. На рис. 3 представлены расчетные и опытные значения коэффициента конвекции е к= Л ТК/А т Среднее расхождение составляет с данными Михеева 5,4 %, с данными Эккерта-3,6%. Максимальное расхождение с данными Михеева составило 10 %, Эккерта -6,6%. Таким образом, разработанная физико-математическая модель конвективного теплообмена адекватно описывает процесс свободной конвекции в полости или поре.

По результатам вычислительного эксперимента автором предложена следующая зависимость для коэффициента конвекции

г к= 0Д95(СгРг)М46; 103 < Сг Рг <; 10б .

Составляющая X Эф , учитывающая влияние излучения в полости или поре, определялась в расчетах по формуле

° нал~ t . ,

где qi- плотность потока результирующего излучения для тепловоспринимающей поверхности А, (рис. 4).

Схема для расчета теплообмена излучением в полости или поре

■I |

-к о4-

^-н

,; А,; /г=/г ;

Рис. 4

Для поверхности А, плотность потока результирующего излучения определяется по формуле,

-Здесь: л—плотность потока эффективного излучения поверхности; /г -

угловой коэффициент; /, у - индексы поверхности. Для расчетной схемы на рис. 4. 6, то есть 1 < /',./' < 6.

Плотность потока эффективного излучения поверхности определяется по уравнению

здесь а - постоянная Стефана-Больцмана, (5,6699x10"8 Вт/(м2 К4)); е , -степень черноты /-ой поверхности; т ,= 273 + 1, - абсолютная температура /-ой поверхности. Средние температуры ;'-х поверхностей (/,) вычислялись по формулам

| Я А/ | Я £

г>г,; />гг;' илЦ^; < I' „у.оЦ^;

0 0 0 0

где - температура, определяемая в результате решения задачи конвективного теплообмена.

Задача теплообмена излучением в замкнутой системе численно решена зональным методом.

В воздушных полостях и порах передача теплоты (О) осуществляется гремя способами: теплопроводностью (<3Т), конвекцией (<3К) и излучением (<3ИЗЛ). Для выяснения доли каждой из этих составляющих сложного теплообмена в газовых полостях и порах были проведены численные исследования.

Рассматривались кубические полости и поры с размерами от 0,001 до 0,1м, результаты представлены в виде графиков (рис. 5) для разных значений перепадов температур

а б

Рис.5. Зависимости составляющих сложного теплообмена от размеров

воздушных полостей или пор: а-(/,.-; ,,) =5°; =20°.

По результатам численных исследований сделаны следующие выводы:

1)для полостей и пор малых (Н<0,002 м) размеров основная доля теплоты передается теплопроводностью (до 90 %);

2) для полостей и пор с размерами Н«0,01 метра доли теплоты передаваемой излучением и теплопроводностью становятся одинаковыми и составляют 50% каждая;

3) в полостях и порах с размерами более 0,01 метра доля теплоты передаваемая излучением, постепенно увеличивается и при Н«0,05 метра, составляет 60 -80 %;

4) доля теплоты, передаваемая конвекцией, в полостях и порах с размером ЬЫ),05 метра составляет в зависимости от разности температур 10 - 25 % от общего количества теплоты.

В третьей главе описывается физико-математическая модель сложного теплообмена в неоднородных материалах и изделиях (рис. 6), позволяющая прогнозировать их теплоизоляционные свойства.

Схема для расчета я

Рис.6

Суть расчетного метода прогнозирования заключается в определен» эквивалентного коэффициента теплопроводности неоднородного материал;

ЧмН м

('внср ~ ' НАРСР)

где д и - плотность теплового потока на поверхности неоднородног материала, Вт/м2; Н д/ -толщина неоднородного материала, м; < Вн с?, I НАРС, - средняя температура на внутренней и наружной поверхностях неод нородног материала, °С.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности неоднородног

материала определяется на основе численного решения методом конечны элементов двухмерной стационарной краевой задачи теплопроводное™ описываемой уравнением

д Г, 81 \ д (л „ 7х1л'7х) + 7г1л'77)т0 <'=>.*>;

Граничные условия: —для единичного изделия: {^о^г^д^)= ' н ;

I ,

вг

дХ

дг

дУ

(я„,osrsív)- 9 М\

(такая постановка граничных условий является обще принятой дл строительной теплофизики и регламентирована соответствующими СНиПам!

; 91

для ограждающей конструкции: Л I

(0; О

а п ' ж«);

д I

д X

(Н а »л(? ЖВН~1 £н)

31 дУ

где я , - коэффициент теплопроводности твердого материала (остова-елета), Вт/(м К); Л 2= А ЭФ -коэффициент теплопроводности газовой поры иг полости, Вт/(м К); Ьм-высота неоднородного материала, м; г н-заданная мпература на охлаждаемой поверхности, "С; д и - заданная плотность плового потока на нагреваемой поверхности, Вт/м2; а н, а т -)эффициенты теплоотдачи с охлаждаемой и нагреваемой внешних шерхностей неоднородного материала; I ж н , I ж вп - определяющие мпературыохлаждаемойинагреваемойсредсоответственно.Вкачестве г ж 1брана температура невозмущенной среды.

Алгоритм метода расчетного определения (прогнозирования) Бивалентного коэффициента теплопроводности (Л экв) материалов и делий, представлен на рис. 7.

Наличие итерационных циклов вызвано взаимозависимостью Л ЭФ и г=гг-;х в неоднородном материале: величина Л ЭФ определяется ачениями температур ;г и I х на границах отдельной поры или полости, но оже время температурное поле неоднородного материала зависит от Л Э4> дельных пор и полостей.

Предложенный мегод был использован в расчетах по определению тлоизоляционных свойств пенобетона. Результаты расчетов сопоставлялись 'пытными данными Кауфмана по теплопроводности пенобетона различной ристости. Среднее расхождение составило 4,4 %, а максимальное - 8 %.

Разработанный метод использовался также при определении тлоизоляционных свойств силикатного одиннадцатипусготного кирпича ОСТ 530-95) с учетом сложного теплообмена, протекающего в данном целии: расхождение результатов расчетов с опытными данными составило

'о.

Таким образом, сопоставления результатов расчетов с опытными ешыми показало, что предложенный метод адекватно моделирует процессы таообмена протекающие в материалах, имеющих как пористую структуру, х и полостные включения.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПОЛОСТИ ИЛИ ПОРЕ Хтч 1=КЛ11,Н,Ь,М,>-т)

дц Ли«

к= 1с+1

[М, -Ди., ]5е

КОНЕЦ РАСЧЕТНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ

Рис.7

В главе четвертой приводятся результаты прогнозирования теплоизоляционных свойств ряда материалов и изделий.

Общепринято считать, что увеличение пустотности (П) материала, однозначно улучшает его теплоизоляционные свойства. (Пустотность (П) -доля полостей в объеме изделия.) Однако, проведенные автором исследования, опровергают это мнение и показывают, что эффективное снижение

Бивалентного коэффициента теплопроводности материала (Аэкв) йлюдается только до определенного значения пустотности, а дальнейшее еличение П приводит наоборот к росту А экв и, как следствие, к ухудшению шюизоляциошшх свойств материала.

Для практических целей важно оценить размеры полостей и пор, выше >торых увеличение пустотности (пористости) приводит к ухудшению плоизоляционных свойств материала.

В частности исследовались теплоизоляционные свойства кирпича ис. 8) с пустотами, при различных значениях размеров воздушных полостей ) и неизменной толщине перегородки (5пр) равной 1 см.

Расчетная схема 5«г=тгш |\чг сопь!

Рис. 8

Коэффициент теплопроводности остова-скелета Л , принимался равным кирпича глиняного обыкновенного (ГОСТ 530-80). Эффективный оффициент теплопроводности в воздушной полости X Эф определялся по вработанному методу расчета сложного теплообмена в газовой полости.

Вт/(иК)

и,}

0,4 0,3 0,2 0,1

\ А ПО X ПО X по фор?.*уле Рибо + по <{юрмуле Старостина <юр^ле(|)Бертгтейна • по Б^шхгшна фор^леРуссепя раультатырасчетов

ЛхХХ) *жж

*ц *** сххххх щщ ооооос "+++++

% :

0,01 0,07 0,13 0,19 0,25 0,31 0,37 0,43 0,49 0,55 0,61 П

Рис.9. Зависимость X экв от пустотности кирпича

На рис. 9, где представлены результаты расчетов, для сравнения так же приведены зависимости X экв(п) по известным формулам, рассмотренным I первой главе. Из рис. 9 следует, что наилучшими теплоизоляционными свойствами будет обладать кирпич с П»0,36. Предлагаемые конструкции кирпича с этими значением П приведены на рис. 10.

Рис. 10

Аналогичные исследования были проведены для блоков из пористы) материалов с дополнительными сквозными полостями по схеме рис. 8.

Вт/(«.К)

0,(5 ■ 0,14 0,13 0,12 0,11

0,09 0,08 0,07

1 М 1

—*— результаты расчетов

Хэш. ' ЩмК)

0,4

0,35 03

0Д5 012

ь— результаты расчетов ••• иаоднье свойства

0 0,08 0,16 0,24 0,3 2 0,4 0,48 0,56 0,64 П

0,16 0,24 0,32 0,4 0,48 0,56 0,64 П

а б

Рис. 11. Я экв блоков из пористых материалов с различной пустотностыоП: а- пенобетон (р,=300 кг/м3); б- шлакопемзобетон (р,=1600 кг/м3).

Результаты этих численных исследовании, представленные на рис. 11 показали, что и для пустотных блоков из пористых материалов зависимост! Я ЭКВ(П) имеет точку экстремума, соответствующую блоку с лучшим] теплоизоляционными свойствами.

По заказу НПО "Ижсотопласт" проведено прогнозировани теплоизоляционных свойств стены многослойной конструкции, состоящей и несущего железобетонного внутреннего слоя и слоев из перспективноп теплоизолятора сото пласта (рис. 12).

Рис. 12. Схема сотоиласта

По результатам данной работы был получен акт о внедрении и 1ключение Госстроя УР о включении работ по прогнозированию ¡плоизоляционных свойств строительных материалов и изделий в перечень эиоритетных разработок.

В заключении работы описаны основные результаты численных ^следований, а также показана практическая полезность проделанной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы:

Проведен анализ существующих методов определения коэффициента ялопроводности неоднородных материалов и изделий, содержащих поры и /стоты.

Разработана физико-математическая модель (ФММ) :рмогравитационной конвекции в газовых полостях и порах в полной >ехмерной постановке.

Показаны сходимость и устойчивость принятых методов численной :ализации разработанных ФММ.

Разработана ФММ сложного теплообмена в неоднородных строительных перналах и изделиях.

Адекватность описанных математических моделей подтверждена >авнением результатов численных исследований с опубликованными в ггературе экспериментальными данными.

Составлены прикладные программы на языке Borland Pascal для ШМ 1вместимых персональных компьютеров.

Установлены соотношения между кондуктивной, конвективной и 'чистой составляющими сложного теплообмена в полостях и порах.

Установлена двойственность влияния увеличения пустотности на плоизоляционные свойства материалов и изделий.

Предложенный метод использован при прогнозирована теплоизоляционных свойств сото пласта.

Разработанный метод полезен при проектировании и произведет! строительных материалов и изделий с заданными теплоизоляционным свойствами.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Диденко В. Н., Корепанов Е. В., Юркевич А. А. Расчетный метод определен! коэффициента теплопроводности дисперсных строительных материалов Научный и информационный бюллетень. - Ижевск: Персей, 1997. - Ч. 2. - < 210-215.

2. Диденко В. Н., Корепанов Е. В., Юркевич А. А. Прогнозирован! коэффициента теплопроводности строительных, материалов с учете конвективного теплообмена в воздушных полостях и порах / Проблем энерго-рееурсосбережения и охрана окружающей среды. Материалы науч* технической конференции И Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1998. - С. 29-34

3. Юркевич А. А., Диденко В. Н., Корепанов Е. В, Метод прогнозирован! коэффициента теплопроводности неоднородных (пористых, пустотны строительных материалов сучетом конвективного теплообмена и излучен) //Вестник ИжГТУ: П ериодачсский научно-теоретическ ий журнал Ижевско] государственного технического университета. - Вып. 2. - Ижевск: йзд-1 ИжГТУ, 199$.-С. 15- 18.__

4. Юркевич А. А., Диденко В. Н., Корепанов Е. В. Влияние конвективно: теплообмена и излучения на эквивалентную теплопроводность неоднородных (пористых, пустотных) строительных материалах и издеяш / Гидромеханика ото пительно- венгиляцгго иных и газоочистных устройст Межвузовский сборник. / Казань: Изд-во КГАСА, 1999. - С. 57-66.

5. Расчетные методы прогнозирования коэффициента теплопроводное! дисперсных строительных материалов (аналитический обзор). / Ижевси государственный технический университет, ИжГТУ; Юркевич А. / Корепанов Е. В., руководитель Диденко В. Н.; №ГР01.9.70006123.; Ии № 01970001025. - Ижевск, 1998. - 29 с.

6. Прогнозирование теплоизоляционных свойств сотопласта. / Ижевск! государственный технический университет, ИжГТУ; Юркевич А. А Корепанов Е. В., руководитель Диденко В. Н.; № ГР 01.9.70006123.; Ш: № 01970001025.- Ижевск, 1998. - 22 с,

7. Юркевич А. А., Корепанов Е. В., Диденко в. Н. Исследование теплово состояния помещений в условиях термогравитационной конвекции //Тези< докладов XXX научно-технической конференции " Ученые ИжГТУ производству."—Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1997. - С. 43

8. Юркевич А. А., Диденко В. Н., Корепанов Е. В. Исследование влияния конвективного теплообмена и теплообмена излучением в пористых и пустотных строительных материалах II Тезисы докладов Российской университетско-академической научно-практической конференции -Ижевск: Изд-во УдГУ, 1999. - С. 78.

9. Юркевич А. А., Диденко В. Н., Корепанов Е. В. Оценка количества теплоты проходящей через воздушные полости и поры II Тезисы докладов Российской университетско-академической научно-практической конференции - Ижевск: Изд-во УдГУ, 1999. - С. 80.

10. Юркевич А. А., Диденко В. Н., Корепанов Е. В. Метод прогнозирования теплоизоляционных свойств // Тезисы докладов Российской университетско-академической научно-практической конференции - Ижевск: Изд-во УдГУ, 1999. - С. 80.

11. Юркевич А. А., Диденко В. Н., Корепанов Е. В. Исследование теплоизоляционных свойств неоднородных строительных материалов и изделий // Тезисы докладов международной конференции "Информационные технологии в инновационных проектах"- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1999. - С. 65.

2. ЮркевичА. А., Корепанов Е. В., ДиденкоВ.Н. Метод прогнозирования коэффициента теплопроводности дисперсных строительных материалов.// Тезисы докладов - Казань: Изд-во КГАСА, 1998. - С. 37.

3. Юркевич А. А., Корепанов Е. В., Диденко В. Н. Исследование влияния термогравитационной конвекции на тепловое состояние пористых строительных материалов.У/Тезясыдокладов/Казань: Изд-во КГАСА, 1998. - С. 45.

4. ЮркевичА. А., Корепанов Е. В., Диденко В. И. Метод прогнозирования эффективного коэффициента теплопроводности неоднородных (пористых, пустотных) строительных материалов с учетом конвективного теплообмена/ / Статья / Научный и информационный бюллетень.- Ижевск (в печати)

подписано к печати ¿4 ' /"Т. Формат 60x84/16. Бумага ZOOM Plus. сл. Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3_

ипография ИПМ УрО РАН

£6001, г. Ижевск, ул. М. Горького, 222.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Юркевич, Алексей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Аналитический обзор существующих расчетных и экспериментальных методов определения эквивалентного коэффициента теплопроводности.И

1. 2. Аналитический обзор работ по термогравитационной конвекции и теплообмену излучением в полостях и порах неоднородных материалов и изделий.

1.3. Выводы по главе. Формулировка задач исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ГАЗОВОЙ

ПОЛОСТИ ИЛИ ПОРЕ.

2.1. Разработка физико-математической модели термогравитационной конвекции в газовых полостях и порах.

2.1.1. Система уравнений.

2.1. 2. Граничные условия.

2.1. 3. Начальные условия.

2.1.4. Численная реализация задачи конвективного теплообмена в полости или поре конечно-разностным методом.

2.1. 5. Проверка сходимости и устойчивости численного решения задачи конвективного теплообмена.

2.1. 6. Результаты расчета температурных полей и линий составляющих векторного потенциала в условиях термогравитационной конвекции. Сопоставительный анализ результатов.

2. 1. 7. Тестирование результатов расчета конвективного теплообмена в газовых полостях и порах, по данным экспериментальных исследований.

2. 1. 8. Регрессионное уравнение для конвективного теплообмена в воздушных полостях и порах.

2. 1.9. Критериальное уравнение для коэффициента конвекции.

2. 2. Разработка метода учета излучения в физико-математической модели сложного теплообмена в газовых полостях и порах.

2. 2. 1. Математическая модель теплообмена излучением в замкнутой системе.

2. 2. 2. Определение угловых коэффициентов при теплообмене излучением между диффузионными поверхностями.

2. 2. 3. Численная реализация задачи теплообмена излучением в замкнутой системе.

2. 3. Расчетные соотношения между составляющими сложного теплообмена в газовых полостях и порах.

2. 4. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА В НЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ИЗДЕЛИЯХ.

3. 1. Формулировка краевой задачи теплопроводности.

3.1.1. Численная реализация краевой задачи теплопроводности методом конечных элементов.

3. 2. Алгоритм метода расчетного определения (прогнозирования) эквивалентного коэффициента теплопроводности материалов и изделий.

3. 3. Расчетное определенйе теплоизоляционных свойств пенобетона. Сопоставление с экспериментальными данными.

Введение диссертация по механике, на тему "Метод прогнозирования теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий"

Одним из основных направлений энергосбережения в строительной индустрии является повышение требований к теплозащитными свойствами ограждающих конструкции (стены, перекрытия и т. п.), которые могут быть реализованы применением эффективных теплоизоляционных материалов.

Наибольший эффект может быть получен при использовании неоднородных материалов, состоящих из остова-скелета и полостей или пор, заполненных газом, например воздухом.

Создание теплоизоляционных материалов идет в основном эмпирическим путем. Учитывать сложный теплообмен и множество факторов влияющих на теплоизоляционные свойства достаточно дорого и сложно, опираясь только на экспериментально получаемые результаты, поэтому и требуется сегодня развитие надежных методов математического моделирования процессов протекающих в данных материалах и изделиях с целью получения эффективных теплоизоляционных свойств.

Цель исследования - разработка расчетного метода прогнозирования эквивалентного коэффициента теплопроводности (X экв) неоднородных (пористых, пустотных) строительных материалов с учетом конвективного теплообмена и теплообмена излучением в полостях и порах.

На защиту выносится:

• метод расчета термогравитационной конвекции в полостях и порах в объемной постановке;

• результаты численных исследований процессов сложного теплообмена в полостях и порах;

Научная новизна.

1. Разработана физико-математическая модель (ФММ) термогравитационной конвекции в газовых полостях и порах в полной трехмерной постановке.

2. Разработана ФММ сложного теплообмена в неоднородных строительных материалах и изделиях.

3. Установлены соотношения между кондуктивной, конвективной и лучистой составляющими сложного теплообмена в полостях и порах.

4. Установлена двойственность влияния увеличения пустотности на теплоизоляционные свойства материалов и изделий.

Практическая полезность. Проектирование и производство строительных материалов и изделий с заданными теплоизоляционными свойствами.

Реализация:

• акт о внедрении ООО НПО «Ижсотопласт» (см. приложении);

• включение работ по прогнозированию теплоизоляционных свойств строительных материалов и изделий в перечень приоритетных разработок Госстроя Удмуртской Республики. Заключение Госстроя УР (см. приложение).

Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетной НИР: ГР 01.9.70006123 «Разработка теории и методов расчета процессов тепломассообмена многофазных газожидкостных систем», проводимой в ИжГТУ.

Результаты работы обсуждались на:

• XXX научно-технической конференции ИжГТУ (г. Ижевск, 1996 г.);

• региональной научно-технической конференции «Проблемы энергоресурсосбережения и охрана окружающей среды» (г. Ижевск , 1998 г.);

• Российской университетско-академической научно-практической конференции (г. Ижевск, 1999 г.);

• Международной конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (г. Ижевск, 1999 г.);

• семинаре кафедры «Высшая математика» ИжГТУ (г. Ижевск, 1999 г.);

• семинаре в Институте прикладной механики УрО РАН (г. Ижевск, 1999 г.). 8

Основные публикации.

По результатам работы имеется 14 публикаций, в том числе:

• статей: 4 опубликованные [74-75, 79] и 1 в печати[80 ];

• 2 научно-технических отчета [73,77];

• тезисов доклада на научных конференциях: 1 опубликованный [78] и 6, находящихся в печати [81-86].

Автор благодарит научного руководителя профессора В. Н. Диденко, научного консультанта доцента Е. В. Корепанова за внимание к работе, полезные советы и поддержку, а также сотрудников кафедры «Гидравлика и теплотехника» ИжГТУ за помощь и многочисленные обсуждения рассматриваемых в работе вопросов.