CN106295063B - 建筑物节点等效面传热系数计算方法 - Google Patents

建筑物节点等效面传热系数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种建筑物节点等效面传热系数计算方法，包括：步骤1：建立待计算建筑物节点的三维几何模型；步骤2：建立虚拟空气层以模拟空气与所述建筑物节点的实际对流换热；步骤3：对三维几何模型进行网格划分后生成网格文件；步骤4：检测网格质量是否合格，是则执行步骤5，否则返回步骤3；步骤5：在计算流体力学软件中载入网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型；步骤6：对热流模型进行检验，判断边界热流是否分布均匀，是则执行步骤7，否则扩大建模范围，返回步骤1；步骤7：获得三维几何模型的热流率，得出建筑物节点等效面传热系数；本发明能够使设计者正确评价建筑物节点的热工性能，提升建筑的节能能力。

Description

建筑物节点等效面传热系数计算方法
技术领域
本发明涉及建筑物传热计算技术领域，具体为一种建筑物节点等效面传热系数计算方法。
背景技术
现有技术中的建筑物传热计算只能够计算均匀的围护结构位置的面传热系数，并未考虑复杂建筑节点位置的传热，进而导致建筑热工计算的结果不够准确。另外，目前现有使用的建筑节能软件普遍无法进行精确的建模计算。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种建筑物节点等效面传热系数计算方法。
本发明的技术手段如下：
一种建筑物节点等效面传热系数计算方法，包括如下步骤：
步骤1：建立待计算建筑物节点的三维几何模型；
步骤2：根据待计算建筑物节点的三维几何模型与空气的接触面，在所述接触面上建立虚拟空气层以模拟空气与所述建筑物节点的实际对流换热；
步骤3：对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分后生成网格文件；
步骤4：检测网格质量是否合格，是则执行步骤5，否则返回步骤3；
步骤5：在计算流体力学软件中载入所述网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型；
步骤6：对所述热流模型进行检验，判断边界热流是否分布均匀，是则执行步骤7，否则扩大建模范围，返回步骤1；
步骤7：获得所述三维几何模型的热流率；，得出建筑物节点等效面传热系数；所述建筑物节点等效面传热系数其中，U表示建筑物节点等效面传热系数、φ表示所述三维几何模型的热流率、△T表示虚拟空气层的边界温度差、A表示所述三维几何模型在热流方向上的投影面积。
进一步地，采用CAD软件建立待计算建筑物节点的三维几何模型；
进一步地，通过Gambit软件对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分并生成网格文件；
进一步地，所述步骤5具体为：
使用Fluent软件载入所述网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型；
进一步地，所述材料参数至少包括材料的导热系数；当所述虚拟空气层裸露于室外，将所述虚拟空气层的导热系数设置为23*虚拟空气层厚度；当所述虚拟空气层处于室内封闭位置，将所述虚拟空气层的导热系数设置为8.7*虚拟空气层厚度。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的建筑物节点等效面传热系数计算方法，能够实现建筑物节点尤其是复杂建筑节点位置的热工计算，使得建筑热工计算的结果更加准确，本发明能够使设计者正确评价建筑物节点的热工性能，进而提升建筑的节能能力。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程图；
图2是本发明所述三维几何模型的应用示例图；
图3是本发明所述三维几何模型进行网格划分后的网格划分结果示例图；
图4是本发明所述建筑物节点的热流效果示例图；
图中：1、聚氨酯墙体，2、通长角钢，3、钢板，4、金属螺栓，5、聚四氟乙烯垫片。
具体实施方式
如图1所示的一种建筑物节点等效面传热系数计算方法，包括如下步骤：
步骤1：建立待计算建筑物节点的三维几何模型；
步骤2：根据待计算建筑物节点的三维几何模型与空气的接触面，在所述接触面上建立虚拟空气层以模拟空气与所述建筑物节点的实际对流换热；
步骤3：对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分后生成网格文件；
步骤4：检测网格质量是否合格，是则执行步骤5，否则返回步骤3；
步骤5：在计算流体力学软件中载入所述网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型；
步骤6：对所述热流模型进行检验，判断边界热流是否分布均匀，是则执行步骤7，否则扩大建模范围，返回步骤1；
步骤7：获得所述三维几何模型的热流率；，得出建筑物节点等效面传热系数；所述建筑物节点等效面传热系数其中，U表示建筑物节点等效面传热系数、φ表示所述三维几何模型的热流率、△T表示虚拟空气层的边界温度差、A表示所述三维几何模型在热流方向上的投影面积。
进一步地，采用CAD软件建立待计算建筑物节点的三维几何模型；进一步地，通过Gambit软件对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分并生成网格文件；进一步地，所述步骤5具体为：使用Fluent软件载入所述网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型；进一步地，所述材料参数至少包括材料的导热系数；当所述虚拟空气层裸露于室外，将所述虚拟空气层的导热系数设置为23*虚拟空气层厚度；当所述虚拟空气层处于室内封闭位置，将所述虚拟空气层的导热系数设置为8.7*虚拟空气层厚度；进一步地，在通过Gambit软件对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分并生成网格文件的同时，还设定材料参数的名称和边界条件的名称；所述Fluent软件为计算流体力学(CFD)软件；所述网格质量是否合格的检查由Gambit软件来完成，以防止网格质量过差导致计算失败；在计算流体力学软件中热流模型的得到过程具体如下：通过Fluent软件将载入的网格文件、与设置的材料参数和边界条件等外部条件相结合，进而生成cas格式的文件，通过读入该cas格式的文件进行计算来得到热流模型。
下面结合具体的应用实例对本发明的具体实施过程进行说明：假设待计算的建筑物节点为一尺寸为1000mm×500mm×271mm的聚氨酯墙体1，该聚氨酯墙体1内设置有三根厚度为5mm的通长角钢2；相邻通长角钢2之间采用厚度为5mm的钢板3连接，所述钢板3通过直径为6mm的金属螺栓4铆固在所述通长角钢2上，所述金属螺栓4与通长角钢2之间设置有尺寸为50mm×50mm×5mm的聚四氟乙烯垫片5，所述聚氨酯墙体1的内外侧均取厚度为10mm的空气层进行均匀覆盖；采用CAD软件对上述建筑物节点建立三维几何模型，建立后使用CAD软件中的export命令将所述三维几何模型以sat格式文件导出并储存；运行Gambit软件，并使用Gambit软件所具有的file-import-acis命令载入上述sat格式文件，在网格划分前通过Gambit软件对三维几何模型进行适当预处理，具体地，使用Gambit软件所具有的geomtry-volume-boolean operatio-subtrack命令，将母体选择聚氨酯板，子体选择金属部分，将聚氨酯板与金属部分进行体积上的分离，然后使用Gambit软件所具有的georntry-volume-split volume命令，将母体选择聚氨酯板，子体选择金属部分，创造金属部分在聚氨酯板上的接触面，之后使用Gambit软件所具有的georntry-face-connect命令，选中全部导入模型，对母体与子体之间的接触面进行耦合，进而完成对导入模型的预处理；在完成对导入的三维几何模型的预处理之后，使用Gambit软件所具有的mesh-edge命令对聚氨酯板及虚拟空气层的外边缘进行线约束，并每20mm分隔一个网格节点，之后对全部的模型进行3mm的体约束，在Gambit软件中选择ted/hybird中TGrid类型网格，其它选项保持默认，从而完成对待计算建筑物节点的三维几何模型的网格划分操作，图3示出了具体的网格划分结果，在得到网格划分结果后，使用Gambit软件所具有的zones-specify boundary types命令，分别选择内外空气界面，并定义为WALL，同时命名为airin、airex，之后使用Gambit软件所具有的zones-specify continuum type命令将模型中的虚拟空气层区域、聚氨酯区域、金属区域和聚四氟乙烯区域分别命名为airm、PU、steel、tetra，并定义为SOLID，最后使用Gambit软件中的file-export-mesh命令，并选择三维选项，输出格式为.msh的网格文件；在生成网格文件后检测网格质量是否合格，基于网格质量合格的基础上，在计算流体力学软件(Fluent)中载入上述.msh格式网格文件，并通过缩小模型比例1000倍以将单位从mm调整为m，使得符合国际单位制，然后在Fluent软件中执行define-models-energy命令，启动能量方程，之后执行define-materials-solid命令，设置材料参数airin(对应内空气层区域)、airex(对应外空气层区域)、tetra(对应聚四氟乙烯区域)、steel(对应金属区域)、airm(对应空气层区域)、PU(对应聚氨酯区域)，同时设置各材料的导热系数，具体地，内空气层区域的导热系数设置为0.087W/m·K、外空气层区域的导热系数设置为0.23W/m·K、聚四氟乙烯区域的导热系数设置为0.026W/m·K、金属区域的导热系数设置为51W/m·K、空气层区域的导热系数设置为2.35W/m·K、聚氨酯区域的导热系数设置为0.028W/m·K，然后在Fluent软件中的cell zone conditions中将上述材料分别对应赋予建筑物节点各位置，之后执行define-boundary-conditions命令来设置边界条件，具体地，将airex边界温度设置为273K，将airin边界温度设为293K，然后执行Fluent软件所具有的mesh/modify-zones/slit-interior-between-diff-solids命令，进而将不同材料之间的共用面进行分离，在Fluent软件中完成上述初始化后在residual monitors中设置energy精度为1e-10后进行计算，进而得到热流率φ＝1.17W，然后执行results-graphics-contours命令，得到图4示出的建筑物节点热流效果示例图，由图4可以看出，建筑物节点的边界热流处于分布均匀的状态，因此所得的热流率可用，之后通过公式来计算建筑物节点等效面传热系数，具体地，△T＝20K、A＝0.5m2、φ＝1.17W，代入式中可得U＝0.117W/m2·K，即该建筑物节点的等效面传热系数为0.117W/m2·K。
本发明提供的建筑物节点等效面传热系数计算方法，能够实现建筑物节点尤其是复杂建筑节点位置的热工计算，使得建筑热工计算的结果更加准确，本发明能够使设计者正确评价建筑物节点的热工性能，进而提升建筑的节能能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种建筑物节点等效面传热系数计算方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤1：建立待计算建筑物节点的三维几何模型；
步骤2：根据待计算建筑物节点的三维几何模型与空气的接触面，在所述接触面上建立虚拟空气层以模拟空气与所述建筑物节点的实际对流换热；
步骤3：对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分后生成网格文件；
步骤4：检测网格质量是否合格，是则执行步骤5，否则返回步骤3；
步骤5：在计算流体力学软件中载入所述网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型；
步骤6：对所述热流模型进行检验，判断边界热流是否分布均匀，是则执行步骤7，否则扩大建模范围，返回步骤1；
步骤7：获得所述三维几何模型的热流率，得出建筑物节点等效面传热系数；所述建筑物节点等效面传热系数其中，U表示建筑物节点等效面传热系数、φ表示所述三维几何模型的热流率、△T表示虚拟空气层的边界温度差、A表示所述三维几何模型在热流方向上的投影面积。
2.根据权利要求1所述的建筑物节点等效面传热系数计算方法，其特征在于采用CAD软件建立待计算建筑物节点的三维几何模型。
3.根据权利要求1所述的建筑物节点等效面传热系数计算方法，其特征在于通过Gambit软件对待计算建筑物节点的三维几何模型进行网格划分并生成网格文件。
4.根据权利要求1所述的建筑物节点等效面传热系数计算方法，其特征在于所述步骤5具体为：
使用Fluent软件载入所述网格文件，并设置材料参数和边界条件，得到热流模型。
5.根据权利要求4所述的建筑物节点等效面传热系数计算方法，其特征在于所述材料参数至少包括材料的导热系数；当所述虚拟空气层裸露于室外，将所述虚拟空气层的导热系数设置为23*虚拟空气层厚度；当所述虚拟空气层处于室内封闭位置，将所述虚拟空气层的导热系数设置为8.7*虚拟空气层厚度。
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