考虑辐射换热的建筑结构温度场的数值模拟

　　浙江大学学报工学版考虑辐射换热的建筑结构温度场的数值模拟李志磊干钢唐锦春。浙江大学土木工程学系，浙江杭州310027；2.浙江大学建筑设计研宄院，浙江杭州310027交换等周期性变化的边界条件下的温度场进行了数值模拟。模拟结果明与有限体元法肘相比，采用有限单元法，肘也能得到可靠的温度参数；非线性辐射换热相比于面对流换热来说不能忽略；保温层的铺设对混凝土板的温度分布有重要影响。

　　置于自然环境中的建筑结构，长期受到自然界气温变化和太阳辐射等温度作用的影响，由此而产的，役应力付结构造成的损害是严重的尤代是在太阳辐射的影响下，建筑结构内部出现较大的温差，产生了较大的拉应力，导致结构开裂2.凯尔别上就，筑纟构在温度作用下的热传导过程中环境温度的取值温度内力的计算提出了计算方法和让议，但其，位是稳态的，对瞬态问要另行考此金伟以等人43通过有限差分法对屋面和墙面曰照浪件下的温度场进疗了瞬态计算，但忽略了，筑结构面自身及大气长波辐射，存在定的误差。国外研，这个起步较等人姐过不同的简化及数学模型，模拟了温度场的分布，并且又寸采用不同保温隔热材料的建筑屋面的热学性能进行了对比等人采用有限体元法，肘对同模型的数值计算和理论计算结果进行了比较，证明了，河方法的可靠性。有限元方法河在数值计算方面，特别是付于呃杂的问，能够取得较为理想的效沿。通用有限元软件1；有着强大的非线性分析功能，建筑结构面的换热问由于存在辎射。是严重的非线性问。本文的研究1酉的是利用阪元软件415.49仍对典型的屋面和墙体在周围环境温度太阳辐射自身及大气长波辖射的周期性变化的复杂边界条件下的温度场进行数值模拟为温投应力及暖通设计提供靠的温度参数。

　　福射热流和天空长波福射热流代数和太阳辐射引起的热流+为内面由于对流和非线性辐射引起的热流。

　　1.2边界条件1.2.1边界条件方程内友仙心今外面外面属于第类边界条件，根据傅立叶传导定边界条件为天空温度；心为外面材料的热传导率；心，为外面对流换热系数为太阳辐射热吸收系数；6为外对于内面，边界条件为内辐射参考温度；为内面材料的热传导率；6为内面材料的热辐射发射率。

　　1.2.2参数取值对流换热系数以1给出的内面经验公式如下墙体。=3.08.，取决十内而材料。

　　2太阳辐射照度要求精度不高的怙况F.可以采文献lJ的方法，以杭州为例计算其辐射照度在夏季天6月2，兮的变化。

　　屋面朝向为只0也01假定太阳福射照度符含余弦规律即38只人建议采用下面的公式取值时，=较为准确的取值应该参考当地气象资料，在缺乏资料的情况下山地理位置确化。对杭州378.33你14.2，1算结果与民1建筑热规范；8 5017693所给的实测资料吻介较好。上面的假定也同样适用于朝向为南3仙比的墙体，但是要对。进行修正。在没有实测资料的情况下，可以参考民用建筑热工设计规范中给出的实测数值进行修。

　　体系，式2和3中辐射引起的热流要同时考虑自身辐射大气长波辐射及相邻面的辐射。外面由卞周围空气温度天空温度是变化的。而且更重要的是等效黑体温投和面温度数值相差较大。相比而言内面由于边界温度变化较小，在有空调的情况是保持恒温的，两者情况有所不同本文在考虑孤立屋面和墙体边界条件时，外面按照式2考虑，内面则忽略式3中的辐射项。文献8中也作了相同的假定。

　　山文献中直接取广但足按照气体辐射理论。氮气氧气等双原子气体纟1成的空气，是不具有吸收和发射辐射热的能力的，因此室人空气要根据其水蒸1和氧化碳等51子气体的体枳浓投确定辐财参数，故文献7中的取法有待商榷。如果忽略室内空气中水蒸气氧化碳等原子气体的休枳浓度，考虑实际工程中个由1；个面组成的密体系的辐射换热问。因为空外面欢；欲欲欲欲欲欲欲欲内面⑷屋面气不具有发射和吸收辐射热的能力，则墙体1发射吸收，而相邻墙体也是要发射辐射热的，其中部分又被1吸收，所以对于室内保持恒温的特殊密闭的墙体屋面墙体瓦⑴水泥砂浆粉刷2水砂填充3保温绝热层4防水层5加气混凝土6钢筋混凝土7水泥抹灰8石膏粉刷93.1.2两种计算结果的比较3为采用1附元软件413计算得出的天中几个特记，刻沿面厚度方向，投场的分布叫为采，肘模拟样构造的计算纳果叱比较b可以看出采用FEM和采用FVM计算所得结果吻合得很好。

　　3.1.3计算结果的分析1初始条件选取与稳态解的关系计箅的初始时刻；=0山。，外界环境温度30.40为整个结构的初始温度，随着时间的延续，不合适的初始条件引起的波动会逐渐消失。4所。实线代2中1层材料外面上的点；虚线代2中8层材料靠近内面的点。4中分析对应4中第3天和第4天之间。可以发现稳态解的初始条件分别3和27.20.从而准确地确定了结构内部初始的温度分布，而不用局限于经过个周期，当结果出现比较明显的周期性时所得到的稳态解。

　　保温层的作用从33幻中曲线斜率突然增大，说明保温层对屋面的温度分布有重要的影响。保温层上下面同时刻温差达201从能运的角度来札保温绝热层循环储热和放热，从而影响整个结构自身辐射对温度场的影响从5可以看！1外面自身辐射对温度场分布峰。忽略自身及大气长波辐射在波峰波谷处引起的计算误差分别为6.5和3.00.从能量的角度来。线性辐射引起的能景交换7.14町，出对线性辐射换热项积分1.对流引起的能量交换仅为化。=3.82肘12.3对747，7.，积分。太阳辐射热引起的能，交换3.2墙体实例墙体构造及热工参数1和2墙体。

　　3.2.1边界条件墙体的分析相比于兄面来说。边界条件更为复杂，不仅要考虑内外面不同的边界条件，同时墙体受太阳辐射的方位角与屋面不同，太阳辐射照度也不同。以1.2节中杭州地区夏季参数为例对朝向为西从的墙体进行数值模拟根据墙体的做法。外面为水泥沙心，娆可以近似认为足灰体，因此取七6=0.70，其他边界条件的取值在2.2节中己经给出。

　　3.2.2计算结果分析与屋血+同的，墙休的朝向对结构的温度分布有较大的影响。阁6足，向为西63，的墙体在天内各个时刻的温度分布曲线。在同时刻，混凝土内外面温差很小，77为材料交界面处天内的温度变化中47 72曲线47材料47交界面处温度。和，分别代农外面和内面，化是大内外血温度变化幅度较大混凝土内面47曲线在早上900温度低，为28.30；在下午600温度高，为40.3混凝土的外面72曲线与内面情况类似。农面温差可达201左。屋面情况可以通过分析3得出。与墙体不同的是，天内混凝土于保温绝热层放置的位置引起的。

　　000和16002000这两个时间段内，交界面处点温度先后到达小值和大值，内面到达波峰或波谷比外面滞后4！1左右，从而引起结构变形的不协调。如果进步考虑个密闭体系的温度分布。由户墙休叫个和屋面+同的边界条件特别纪太阳辐射热变化，到达波峰或者波谷时间存在滞后而引起的变形不协调相对更加严虚。就会在结构内部产生较大的应力。受拉部分就有可能开裂。

　　4结论采用有限元可以较好地对存在非线性辐射换热的建筑结构面温度场进行数值模拟，所得结论可为研允建筑结构的力9及热9性能提供可靠的温度，数对天内日照及周围环境温度大气温度和天空温度的变化采用正弦曲线及傅立叶无穷级数拟合，能较好地模拟结构的热学性能；相比于及面的对流换热来乩广不考虑临近面的辐射换热的影响，自身辐射和大气长波辐射不能忽略；⑷保温绝热层的位置及设置与否对结构的热学性能，尤其是结构层混凝土上下面的温度变化很大的影响；5温度变化的滞后引起的变形不协调而产生vyimlionacrosswalllhicknessal 1樊小卿。此作月1与钻构设，纪构学报，99.

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