空心砌块的热阻模拟计算

空心砌块的热阻模拟计算

居松茂1

1南京工业大学建筑设计研究院南京210009

摘要：用“平均法”计算空心砌块热阻的方法简单实用，但它在反映砌块墙体传热过程上存在局限性。在此，探讨用FLUENT软件模拟计算空心砌块热阻。计算结果表明：用FLUENT软件模拟计算的砌块热阻能够较好地反映砌块热工性能。本次模拟计算方法可以为空心砌块的热阻优化计算提供良好基础。

关键词：空心砌块；FLUENT软件；热阻

Abstract：Theaveragemethodforcalculationofhollowblockthermalresistanceissimpleandpractical，butitislimitedforthermaltransmittanceprocessofhollowblockwalls.Inviewofthesefacts，FLUENTSoftwareisusedforhollowblockthermalresistancesimulationandcalculation.ThecalculationresultshowsthatthehollowblockthermalresistancegainedfromFLUENTSoftwaresimulationandcalculationcanpreferablyreflecthollowblockthermalperformance.ThissimulationandcalculationmethodcanofferagoodfoundationforhollowblockthermalresistanceOptimizationcalculation.

Keywords：HollowBlock，FLUENTSoftware，Thermalresistance

1.前言

空心砌块热阻计算普遍采用GB50176-2016《民用建筑热工设计规范》中的方法，即规定了由两种及两种以上材料组成的、两相非匀质的围护结构（包括各种形式的空心砌块，填充保温材料的墙体等）的平均热阻计算方法[1]，在此简称为“平均法”。此方法简单实用，在工程实践中应用较多。但在反映砌块墙体传热过程上存在局限性。因为此方法的实质是把实际的多维导热问题简化为一维导热问题。即在热流大致平行的方向将砌块分块，对每一子块按一维导热计算热阻值，然后把不同子块串联并联起来求出总热阻值。可见，此法不易反映砌块墙体的三维传热过程。结合到计算机传热理论的发展，利用计算机来模拟导热问题的数值解成为可能。并且，利用计算机来进行理论分析具有省时、快捷、高效、经济、准确的特点，也是近年来的发展方向。为了能够更加科学地反映空心砌块墙体的热工性能，本文使用FLUENT软件对砌块墙体做数值模拟计算。

2.模拟计算过程

1）砌块墙体传热物理模型

本文的传热计算对象都为单层砌块墙体。经计算，当砌块砌成单层墙体后，砌块与砌块之间的热量流动非常小，一般不超过流过砌块热流的1%，故可以近似认为各块之间是绝热的[2]。现取一面墙体的一个墙体单元（由一个砌块和两层内外抹灰组成）作为砌块墙体传热模拟的物理模型，如图1所示，其俯视图如图2所示。砌块骨料为碎石混凝土，其物理参数ρ=2100kg·m-3，λ=1.28W（m·K）-1，S=13.57W（m2·K）-1，c=0.92kJ（kg·K）-1；砌块尺寸都是390mm×240mm×190mm；砌块内的空气层都是采用通孔形式；墙体的内外侧各有一层20mm厚的石灰水泥砂浆层，其物理参数ρ=1700kg·m-3，λ=0.87W（m·K）-1，S=10.75W（m2·K）-1，c=1.05kJ（kg·K）-1。

图2墙体单元的俯视图

Fig.2verticalviewofwallunit

图1和图2中：

x：墙体宽度方向；

y：墙体厚度方向；

z：墙体高度方向；

d：孔宽；

L1、L2：孔长；

孔交错程度：由相邻孔洞的长度比来表示，即（，长度方向垂直于墙体厚度方向），同时每排有两个矩形孔，且每排孔宽度相同；

空心砌块的所有空气层贯通，用来填满EPS板的孔在未填之前也都贯通；

坐标轴的原点在空心砌块几何中心位置。

2）边界条件

将砌块墙体的热流进入面以及与其平行的热流流出面设为第三类边界条件，如式1和式2，将其余的四个面设为第二类边界条件[3]，且绝热，如式3。

：墙体内表面换热热阻，一般取0.11；

图4普通空心砌块墙体单元的Z=0平面温度场

Fig.4TemperaturefieldofZ=0planeofcommonhollowblockwallunit

①模拟计算

经过模拟而得Z=0处的温度等值线图，如图4所示，砌块墙体内部形成一个热量流动的温度场。模拟完毕后，得到流过墙体内外表面的热流为2.201，接着，根据式（4）、（5）、（6）可计算得到墙体传热热阻值为0.606和砌块热阻值为0.410。

②简要模拟分析

从图4的Z=0处的温度等值线分布图中可以看出：

1）固体部分等温线平行且均匀分布，说明在固体部分热量沿墙厚方向近似一维传递，热量传递阻力没有发生突变；

2）砌块内部等温线弯弯曲曲，可知砌块墙体内部孔洞热量不是一维传递。空气层处等温线比较密集，而骨料层处等温线比较稀疏，由此推断：与骨料层相比，空气层具有良好的阻止热量传递的作用；

3）在等温线经过混合层有肋的地方，等温线立即变得疏松，这些地方成了热量传递的优良通道。可见，为了增强砌块热工性能，在保证砌块应有的力学性能下，这样的热量传递的优良通道越少越好，即混合层中肋数量应该越少越好；

4）砌块墙体混合层处对应的等温线弯弯曲曲，对比其尺寸图发现：弯曲都发生在混合层的肋的两边。可见在砌块墙体外侧温度变化的情况下，在这些地方的温度变化会比骨料层或空气层处大，可知这些地方会产生较大温度应力。

3.模拟试算

为了检验软件模拟而得的砌块热阻是否能较好地反映砌块本身的热阻值，现将文献[5]中的砌块热阻实验测试值列在表1中，同时采用上述模拟计算过程，模拟

计算得到砌块热阻。将模拟计算值和测试值一起列在表1中。

表1数值计算与实验计算的比较

Table1thecomparisonbetweennumericalcalculationandtestresult

由表1可知：模拟结果与实测结果比较吻合。尽管模拟值与测试值有些差距，但误差大小对于工程而言是可以接受的，这说明本文中采用的数值模拟能够较好地反映砌块的热工性能。

4.结语

由以上模拟计算可知，FLUENT软件可以较好地进行墙体传热模拟，这体现了软件本身具有强大的工程应用能力。与实验测试后算得的热阻相比，FLUENT软件能科学地模拟计算空心砌块热阻值。同时，也可以使用此软件分析砌块墙体内部热工性能，便捷直观地找到砌块设计不合理之处，为空心砌块热阻优化计算提供良好的基础。

参考文献：

[1]民用建筑热工设计规范（GB50176-2016）[S].北京：中国计划出版社，2016.

[2]高岩.砌块墙体热阻及状态空间减秩模型的动态热工特性研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2001.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用.[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[5]杜文英.砼空心砌块的保温性能[J].建筑砌块与砌块建筑，1993，3：10-15.