Моделирование теплопередачи через стену

[FireCat]

Вопрос: Нужно выполнить расчет теплопередачи через стену и определить температуру необогреваемой поверхности стены. Стена состоит из нескольких слоев: внутренний слой 250 мм бетон, затем утеплитель 100 мм, затем кирпич 100 мм.
Каким образом это сделать, какие параметры задавать? Как выполнять измерения температуры?

Ответ:
Для задания теплофизических параметров стен используется поверхность типа «многослойная».
Первым шагом необходимо создать нужные материалы или (в данном случае) загрузить их из библиотеки:

1.png (48.04 КБ) 12579 просмотров

Второй шаг – создание многослойной поверхности и задание толщины слоев:

2.png (25.57 КБ) 12579 просмотров

Слои материала нумеруются в порядке «углубления» внутрь стены, то есть первым идет самый верхний слой.
Необходимо помнить, что толщина «геометрическая» (то есть толщина объекта «препятствие») никак не связана с толщиной «теплофизической» (то есть той, которая получится при суммировании всех слоев многослойной поверхности». Следовательно, нет необходимости согласовывать толщину материалов с размерами препятствий, ячейками сетки.

На вкладке «Свойства поверхности» выбираем параметр «Задняя поверхность»:

3.png (30.24 КБ) 12579 просмотров

«Воздушный зазор» означает, что позади последнего слоя находится открытое воздушное пространство, то есть это наружная стена (или же если принимается, что теплопередачей через стену в смежные помещения можно пренебречь).
«Изолированный» означает, что позади последнего слоя находится бесконечный слой изолирующего материала.
В обоих этих случаях тепло, переданное в стену, не возвращается в модель.
«Открытый» означает, что позади последнего слоя материала находится пространство модели. Он используется, когда надо учесть теплопередачу через стену в смежное помещение. Обратите внимание, это работает только в том случае, если толщина препятствия, к которому будет применена данная поверхность, не превышает размера одной ячейки сетки. (При этом соотношение размера ячейки сетки и толщину слоев материалов согласовывать по-прежнему не нужно).

Теперь о задании слоев материалов в стенах несимметричного состава.

4.png (15.52 КБ) 12579 просмотров

Созданная поверхность применяется к граням препятствия – возможно как присвоить одну поверхность всем граням, так и для каждой грани задать свою поверхность:

5.png (12.52 КБ) 12579 просмотров

Рассмотрим, как будет выглядеть наша стена при расчете теплопередачи, если мы присвоим ей созданную поверхность для всех граней.
При расчете теплопередачи через стену «слева направо» будет использоваться следующий порядок слоев: (помещение пожара) - бетон – утеплитель – кирпич – (контрольное помещение). Однако при расчете теплопередачи «справа налево» будет использоваться тот же порядок: (контрольное помещение) - бетон – утеплитель – кирпич – (помещение пожара) – что неверно! Чтобы избежать такой ошибки нужно создать вторую поверхность с обратным порядком материалов:

6.png (26.69 КБ) 12579 просмотров

7.png (9.84 КБ) 12579 просмотров

Обратите внимание, что данные ухищрения необходимы только в том случае, если необходимо рассчитывать теплопередачу через стену в смежное помещение. В случае, если стена является наружной, достаточно задать одну поверхность «изнутри наружу», поверхность для противоположной грани не будет иметь значения для расчета.

Чтобы проверить, правильно ли соотнесены поверхности с гранями препятствия, удобно использовать инструмент:

8.png (2.34 КБ) 12579 просмотров

При наведении курсора на грань препятствия будет показана назначенная поверхность:

9.png (8.4 КБ) 12579 просмотров

Измерение температуры стены
Для измерения температуры можно использовать измерители в твердой фазе (для получения численных значений) и граничные величины (для визуализации).
Измеряемые величины следующие:
«Температура стены» - температура поверхности стены
«Температура задней поверхности стены» - температура противоположной грани стены (для помещения пожара это будет необогреваемая поверхность стены). С помощью этой величины можно определить температуру необогреваемой поверхности даже в случае если стена является наружной и теплопередача в смежное помещение через нее не рассчитывается.
«Температура внутри стены» - температура на заданной глубине внутри материала (только для измерителей).

10.png (24.79 КБ) 12579 просмотров

Обратите внимание, что измерители должны располагаться строго на грани препятствия, и свойство «Нормаль к твердой поверхности» должно быть направлено от грани препятствия в окружающее пространство.

11.png (19.99 КБ) 12579 просмотров

Результаты
Графики
Температура газовой среды

12.png (22.62 КБ) 12579 просмотров

Температура поверхности стены

13.png (17.12 КБ) 12579 просмотров

Температура внутри стены на глубине 0,01 м

14.png (15.17 КБ) 12579 просмотров

Температура задней поверхности стены

15.png (14.2 КБ) 12579 просмотров

Визуализация
Температура поверхности стены

16.png (55.14 КБ) 12579 просмотров

17.png (35.35 КБ) 12579 просмотров

Температура задней поверхности стены

18.png (47.91 КБ) 12579 просмотров

19.png (52.77 КБ) 12579 просмотров

Видно, что для поверхностей со свойством «Открытый» температура задней поверхности стены совпадает с температурой на противоположной грани препятствия. Для поверхностей с «Воздушным зазором» и «Изолированным» такого совпадения не будет.


Файл с примером:

example.rar

(122.7 КБ) 415 скачиваний

Обратите внимание, что пример не является реальным расчетом, параметры выбраны таким образом, чтобы лучше иллюстрировать описываемые функции (например, не задана скорость распространения пламени по пожарной нагрузке для более быстрого получения результатов и т.д.)

[Дмитрий]

Здравствуйте. Подскажите, пожалуйста, где у стены передняя сторона и где задняя.

[Дмитрий]

Спасибо

[Дмитрий]

Подскажите, как можно определить значение теплового потока на различном расстоянии от стены снаружи помещения. Ведь если поверхность стены снаружи помещения прогревается, значит, от стены возникает тепловое излучение, и его можно рассчитать. Можно ли это сделать в программе? Среди выходных данных граничных величин есть несколько видов теплового потока: 1) измеряемый тепловой поток; 2) лучистый тепловой поток; 3) нормализованный тепловой поток; 4) падающий тепловой поток; 5) тепловой поток. Не совсем ясно, в чем их различия. Какой брать? Среди устройств есть измеритель потока. Он также может быть как "тепловой поток" (у меня почему-то дал отрицательные результаты), так и "тепловой поток стены" (показывает пульсацию около нулевого значения: то значения с плюсом, но с минусом). Немного разбегаются глаза и немного непонятно. Могли бы Вы подсказать более конкретно, что сделать, чтобы измерить, какой тепловой поток будет падать на поверхность на заданном расстоянии от нагретой стены вне помещения очага пожара.

[FireCat]

Подскажите, пожалуйста, где у стены передняя сторона и где задняя.

У стены нет передней и задней стороны, они есть у многослойной поверхности. "Передняя" сторона - эта та грань препятствия, к которой вы применяете поверхность. "Задняя" сторона находится на глубине суммарной толщины всех слоев материала, заданных для поверхности.

Измеряемые величины теплового потока обсуждались в этой теме: viewtopic.php?f=2&t=75
Для измерения величины потока в заданной точке можно создать маленькое препятствие и установить измеритель на нем. Либо можно использовать измерители из раздела "Статистика".
Измерители "тепловой поток" и "тепловой поток стены" измеряют суммарный конвективный тепловой поток в заданной области - для газа и на твердой поверхности соответственно.

[Дмитрий]

Большое спасибо за квалифицированную помощь!