Расчет температурных полей ограждающих конструкций программа. Приложение Д

Расчет температурных полей участков ограждающих конструкций зданий и сооружений

Назначение программы

Программа предназначена для расчета (двумерных и трехмерных) температурных полей участков ограждающих конструкций зданий и сооружений.

В результате расчета будут получены:

тепловой поток, проходящий через рассчитываемый участок;
температуры в каждой расчетной точке температурного поля рассчитываемого участка ограждения;
температуры на внутренней поверхности рассчитываемого ограждения и точка с минимальной температурой на внутренней поверхности;
графическое изображение температурного поля рассчитываемого ограждения;
изотермы температурного поля рассчитываемого ограждения.

Характеристика программы

Расчет температурного поля выполняется методом сеток.

Расчет может быть произведен точным методом и методом приближений. Максимальное количество расчетных точек при точном методе 100 тысяч для двухмерного поля и 60 тысяч для трехмерного поля. Максимальное количество точек для метода приближений не установлено и определяется возможностью компьютера и монитора.

Ввод данных выполняется графическим методом.

Размеры участка ограждения (узла) и шаг сетки задается пользователем.

Для трехмерного поля пользователем задается количество слоев и их высота. Ограничения по количеству расчетных точек определяются возможностью компьютера.

Размеры столбцов, строк и слоев задаются пользователем (мм). Рекомендуется принимать размеры ячеек в диапазоне 5100 мм в зависимости от характера решаемой задачи.

Ширина для каждого столбца и строки может быть задана отдельно. При задании исходных данных сначала задаем габариты и шаг равномерной сетки. Затем можно переопределить размеры отдельных столбцов, строк и получить сетку с неравномерным шагом. Однако на экране монитора в любом случае отражается равномерная сетка. При этом размеры столбцов и колонок неравномерной сетки отображаются по периметру расчетного поля.

В расчетном узле максимальное количество материалов 8.

Значение температуры наружного и внутреннего воздуха устанавливается пользователем в диапазоне от −100 до +2000°C. Может быть установлено 2 внутренние температуры и одна наружная.

Значение коэффициента теплопередачи на внутренней и наружной поверхности задаются пользователем (в диапазоне 150).

Граничные условия определяются параметрами 2 температуры внутреннего воздуха, температура наружного воздуха и преграда тепловому потоку.

Ограничений на создание граничных условий по четырем параметрам нет.

По умолчанию в программе заданы граничные условия. Верхний горизонтальный ряд граничит с наружным воздухом. Нижний ряд с внутренним воздухом. Левый и правый столбец температурного поля имеют преграду тепловому потоку соответственно слева и справа.

Область применения Построение объемных температурных полей в геоинженерии, геотехнике, геотермике и горном деле по данным термометрических сетей в криолитозоне. Знание температурного состояния пород и грунтов оснований инженерных сооружений в крилитозоне - гидроузлов, надшахтных сооружений подземных рудников, эксплуатируемых зданий, ТЭЦ возведенных на вечной мерзлоте - залог их безопасной эксплуатации. Область применения программы также определяется тем, что более что 60% территории РФ географически расположено в криолитозоне Земли.

Описание алгоритма Алгоритм представляет собой численную реализацию авторской схемы (далее "схема") в рамках классической системы автоматизированного управления с прямыми и обратными связями. Предназначен для обработки пространственно распределенных температурных данных "рассеянного" типа в методе смены стационарных состояний при решении геотеплофизических задач для медленнопротекающих процессов, повсеместно возникающих в геоинженерии (особенно в осваиваемых районах Севера и Арктического шельфа).

Общие элементы алгоритма и некоторые результаты работы программы приведены в статье .

В.В. Неклюдов, С.А. Великин, А.В. Малышев, Контроль температурного состояния оснований рудников в криолитозоне средствами автоматизированного мониторинга, Криосфера Земли, 2014, №4.

Для обеспечения геокриологической безопасности при эксплуатации инженерных объектов в криолитозоне "схема" использует проверенные и надежные алгоритмы 2D или 3D интерполяции "рассеянных" данных. Исходные температурные данные разбиты на два блока:

температурные параметры объемных квазистационарных тепловых источников объекта: шахтный ствол, совокупность объемных вентиляционных каналов, система замораживающих колонок и термосифонов;
температуры измерительной скважинной сети: вертикальные термометрические скважины и горизонтальные скважины, а также единичные температурные датчики на входе и выходе замораживающей системы.

"Схема" обеспечивает чтение геометрии объекта и геометрии скважинных термометрических сетей, а также элементы строительных чертежей, в соответствии с которыми формируется объемная сетка с температурными данными. После 2D или 3D интерполяции (опционально), "схема" позволяет вывести полученный температурный параллелепипед в формате, пригодном для чтения другими (по желанию Заказчика) профессиональными графическими системами.

Исходная геометрия объекта для "схемы" формируется по строительным чертежам в известной программе "Surfer".

"Схема" позволяет:

работать с БД многолетних (автоматизированных) наблюдений и строить как геокриологические температурные разрезы, так и геокриологические разрезы скоростей промерзания-оттаивания, причем как в 2D, так и 3D виде;
численно оценивать некоторые теплофизические характеристики (коэффициент температуропроводности и др.) грунтов и пород фундамента объекта непосредственно в полевых условиях как решение коэффициентной задачи простейшего уравнения теплопереноса;
строить объемные изотермические поверхности в объеме фундамента (подземного рудника), в т.ч. и в динамике, что позволяет оценить пространственное распределение областей фазовых переходов и выйти на построение термодинамических характеристик грунтов фундамента.

"Схема" предоставляет возможность интерактивной работы с построенным кубом температурного поля:

одним кликом перемещаться между глубинными и вертикальными срезами.
одним кликом задавать дополнительные точки на глубинном срезе с указанием новой температуры в ней и проведением перерасчета интерполяции на этом глубинном срезе.
осуществлять коррекцию коротких скважин в интервале экстраполяции.

Применение авторской опции "экстраполяции" коротких скважин до глубин длинных скважин существенно расширяет возможности объемных построений в геотехнической индустрии. Возможно использование других возможностей по желанию Заказчика

"Схема" предоставляет опцию "online - мониторинга" на дисплее производственного компьютера (по имеющейся истории многолетних температурных измерений) динамики температур по всем термометрическим скважинам фундамента надшахтных высотных сооружений подземного рудника. Такая возможность позволяет оператору замораживающей станции напрямую визуально фиксировать появление трендов аномальных температур в текущей динамике и реагировать на нестандартные ситуации путем задания дополнительных параметров в контуре обратной связи в САУ «термометрическая система -резидентная программа - замораживающая система».

"Схема" реализована для версии «CPU-расчетов», однако может быть перенесена на случай «GPU-расчетов».

Функциональные возможности Типичный объем обрабатываемых данных составляет до 8 Гб ОП для крупнейших подземных рудников в криолитозоне РФ на один типовой фундамент подземного рудника.

Детальность температурных построений алгоритмом программы "Термик" обеспечивается с детальностью до получения температурных градиентов на поперечном сечении сваи, с точностью до ее формы - круглая или квадратная. Точность собственно температурных построений обеспечивается точностью используемых температурных датчиков - как правило, до сотых градуса Цельсия. Погрешность также определяется аппаратурной составляющей. Такие возможности, предоставляемые алгоритмом программы «Термик», которые в настоящее время отсутствуют в других известных геотехнических системах, позволяют эксплуатационникам оценивать т.н. температурные деформационные напряжения на сваях и других элементах (тюбинги и проч.) в целях контроля их разрушения.

Инструментальные средства реализации алгоритма - семейство C++, в описываемой версии 64bit - программных сред программирования. Для пользователя поставляется в виде исполняемого файла.

Приложение Д

Методика определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций на основе расчета температурных полей

Д.1. Ограждающую конструкцию разбивают на расчетные (двухмерные или трехмерные в отношении распределения температур) участки.

Д.2. При определении приведенного сопротивления теплопередаче , , по данным расчета на персональном компьютере (ПК) стационарного двухмерного температурного поля, различают два случая:

а) исследуемая область, выделенная для расчета температурного поля, представляет собой фрагмент ограждающей конструкции, для которого надлежит определить величину ;

б) исследуемая область, для которой рассчитывается температурное поле, меньше по размеру, чем анализируемый фрагмент ограждающей конструкции.

В первом случае искомая величина вычисляется по формуле

где - сумма тепловых потоков, пересекающих исследуемую область, , определенная в результате расчета температурного поля;

И - соответственно температура внутреннего и наружного воздуха,°С;

L - протяженность исследуемой области, м.

Во втором случае определяют по формуле

где - протяженность, м, однородной части фрагмента ограждающей конструкции, отсеченной от исследуемой области в ходе подготовки данных к расчету температурного поля;

Сопротивление теплопередаче однородной ограждающей конструкции, .

Д.3. При расчете двухмерного температурного поля выбранный участок вычерчивают в определенном масштабе и на основании чертежа составляют схему расчета, упрощая ее для удобства разбиения на участки и блоки. При этом:

а) заменяют сложные конфигурации участков, например криволинейные, более простыми, если эта конфигурация имеет незначительное влияние в теплотехническом отношении;

б) наносят на чертеж границы области исследования и оси координат (х, у или r, z). Выделяют участки с различными теплопроводностями и указывают условия теплообмена на границах. Проставляют все необходимые размеры;

в) расчленяют область исследования на элементарные блоки, выделяя отдельно участки с различными коэффициентами теплопроводности. Вычерчивают в масштабе схему расчленения исследуемой области и проставляют размеры всех блоков;

г) вычерчивают область исследования в условной системе координат х", у", когда все блоки принимаются одного и того же размера. Проставляют координаты вершин полигонов, ограничивающих участки области с различными теплопроводностями, и координаты вершин многоугольников, образующих границы исследуемой области. Нумеруют участки и границы исследуемой области и подписывают вершины областей теплопроводностей, температур (или тепловых потоков) на границах или окружающего воздуха и коэффициентов теплоотдачи;

д) пользуясь двумя чертежами, выполненными по "в" и "г", и руководствуясь стандартной (обычной) последовательностью расположения, составляют комплект численных значений исходных данных для ввода в ПК.

Пример расчета 1

Требуется определить приведенное сопротивление теплопередаче трехслойной металлической стеновой панели из листовых материалов.

А. Исходные данные

1. Конструкция панели изображена на рисунке Д.1 . Она состоит из двух стальных профилированных листов с коэффициентом теплопроводности 58 , между которыми размещены минераловатные плиты "Роквул" плотностью 200 , с коэффициентом теплопроводности 0,05 . Листы соединяются между собой стальными профилями через бакелизированные фанерные прокладки толщиной 8 мм с коэффициентом теплопроводности 0,81 .

2. В расчете приняты следующие условия на сторонах ограждения:

снаружи - и ;

внутри - и .

Б. Порядок расчета

На процесс теплопередачи в рассматриваемой конструкции оказывают существенное влияние стальные профили, соединяющие профилированные листы обшивки друг с другом и образующие так называемые мостики холода. Для разрыва этих мостиков холода профили присоединены к листам через фанерные прокладки. Участок конструкции с ребром посередине возможно выделить для расчета температурного поля.

Температурное поле рассматриваемого участка двухмерно, так как распределение температуры во всех плоскостях, параллельных плоскости поперечного сечения конструкции, одинаково. Профили в основной части находятся на расстоянии 2 м один от другого, поэтому при расчете можно учесть ось симметрии посредине этого расстояния.

Исследуемая область (рисунок Д.1) имеет форму прямоугольника, две стороны которого являются естественными границами ограждающей конструкции, на которых задаются условия теплообмена с окружающей средой, а остальные две - осями симметрии, на которых можно задавать условия полной теплоизоляции, т.е. тепловой поток в направлении оси ОХ, равный нулю.

Исследуемая область для расчета согласно Д.З настоящего приложения была расчленена на 1215 элементарных блоков с неравномерными интервалами.

В результате расчета двухмерного температурного поля на ПК получен осредненный тепловой поток, проходящий через рассчитанный участок ограждающей конструкции, равный Q = 32,66 Вт. Площадь рассчитанного участка составляет А = 2 .

Приведенное сопротивление теплопередаче рассчитанного фрагмента по формуле (Д.1)

Для сравнения сопротивление теплопередаче вне теплопроводного включения, определенное по формуле , равно:

Температура внутренней поверхности в зоне теплопроводного включения по расчету на ПК равна 9,85°C. Проверим на условие выпадания конденсата при и . Согласно приложению Л температура точки росы , что выше температуры поверхности по теплопроводному включению, следовательно, при расчетной температуре наружного воздуха -30°C будет выпадение конденсата и конструкция нуждается в доработке.

Расчетную температуру наружного воздуха, при которой не будет выпадения конденсата, следует определять по формуле

Д.4. При подготовке к решению задач о стационарном трехмерном температурном поле выполняют следующий алгоритм:

а) выбирают требуемый для расчета участок ограждающей конструкции, трехмерный в отношении распределения температур. Вычерчивают в масштабе три проекции ограждающей конструкции и проставляют все размеры;

б) составляют схему расчета (рисунок Д.2), вычерчивая в аксонометрической проекции и определенном масштабе изучаемую часть ограждающей конструкции. При этом сложные конфигурации участков заменяют более простыми, состоящими из параллелепипедов. При такой замене необходимо учитывать влияющие в теплотехническом отношении детали конструкции. Наносят на чертеж границы области исследования и оси координат, выделяют в виде параллелепипедов участки с различными теплопроводностями, указывают условия теплообмена на границах и проставляют все размеры;

1 - минераловатная плита, 2 - профилированный стальной профиль, 3 - стальной профиль; 4 - фанерная прокладка

Рисунок Д.1 - Конструкция трехслойной панели из листовых материалов
и чертеж исследуемой области

в) расчленяют область исследования на элементарные параллелепипеды плоскостями, параллельными координатным плоскостям XOY, ZOY, YOZ (рисунок Д.2), выделяя отдельно участки с различной теплопроводностью, вычерчивают в масштабе схему расчленения исследуемой области на элементарные параллелепипеды и проставляют размеры;

г) вычерчивают три проекции области исследования на координатные плоскости в условной системе координат х", у", z", пользуясь схемами, выполненными согласно "б" и "в". Когда все элементарные параллелепипеды принимаются одного и того же размера, проставляют координаты вершин проекций параллелепипедов, ограничивающих участки области с различными теплопроводностями, и проекции плоскостей, образующих границы исследуемой области. Подписывают величины теплопроводностей, температуру на границах окружающего их воздуха и коэффициенты теплоотдачи;

д) составляют комплект исходных данных, пользуясь схемами "б", "в", "г", для ввода в ПК.

Пример расчета 2

Определить приведенное сопротивление теплопередаче панели совмещенной крыши, выполненной из ребристых железобетонных облицовок.

Рисунок Д.2 - Конструкция панели совмещенной крыши (а) и схема расчета конструкции панели совмещенной крыши (б)

А. Исходные данные

1. Конструкция панели совмещенной крыши (рисунок Д.2) размером 3180х3480х270 мм представляет в сечении трехслойную оболочку. Наружный и внутренний слои толщиной 50 и 60 мм из железобетона с коэффициентом теплопроводности 2,04 . Средний теплоизоляционный слой из пенополистирольных плит с коэффициентом теплопроводности 0,05 . Каждая из оболочек имеет параллельные один другому на расстоянии 700 мм ребра по 60 и 40 мм толщиной, доходящие до середины теплоизоляционного слоя. Ребра оболочек взаимно перпендикулярны и таким образом каждое ребро одной оболочки примыкает к ребру другой оболочки на площадке 60х40 мм.

УДК 678.065.028.001.24

В. А. ИЩЕНКО, М. В. ШАПТАЛА (ДИИТ)

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

ПРИ ВУЛКАНИЗАЦИИ ЭЛАСТОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Розроблена методика розрахунку тривимiрного температурного поля методом сюнченних елементгв для визначення часу вулкашзаци еластомiрних виробiв, як1 мають складну поверхню на^ву. На прикладi вели-когабаритно! шини показано, що з урахуванням тривишрного розподiлу температур у порiвняннi i3 методикою плоского перетину, яка зараз використовуеться в промисловостi, час вулкашзаци можна зменшити на 6.. .8 %. Це дае суттеву економш теплово! енерги в умовах масового виробництва.

Разработана методика расчета трехмерного температурного поля методом конечных элементов для определения времени вулканизации эластомерных изделий с геометрически сложными поверхностями нагрева. На примере крупногабаритной шины показано, что учет трехмерности распределения температур по сравнению с методикой плоского сечения, которая в настоящее время применяется в промышленности, позволяет на 6. 8 % сократить время вулканизации, что приводит к существенной экономии тепловой энергии в условиях массового производства.

A procedure has been developed of calculating a 3-D temperature field with application of FEM for determination of vulcanization time of elastomer products with geometrically complex heating surfaces. On the example of heavy-duty tire it has been shown that the account of the 3-D nature of temperature distribution allows to reduce vulcanization time by 6-8 % in comparison with the plane section procedure, which is currently used in industry, which results in significant savings of thermal energy in conditions of commercial production.

Технологией изготовления эластомерных изделий предусмотрена вулканизация, в процессе которой сырая заготовка за счет выдержки при высокой температуре и давлении в пресс-формах приобретает нужную геометрию, а эластомерный материал необходимые свойства. Тепловой режимы вулканизации индивидуален для каждого изделия. Неправильно выбранный тепловой режим либо приведет к перерасходу дорогостоящей тепловой энергии, либо не обеспечит изделию необходимое качество. Поэтому выбор рационального режима вулканизации резиновых и резинотехнических изделий, а особенно многослойных изделий сложной геометрической формы, например, пневматических шин, является актуальной задачей.

Для разработки рационального режима вулканизации эластомерного изделия необходимо знание его температурных полей с целью определения времени достижения необходимой степени вулканизации в так называемой холодной точке конструкции, т. е. в такой точке, температура в которой минимальна. Температурное поле шины определяется теплофизическими характеристиками материалов, которые являются функциями температуры, сложной геометрии поверхностей нагрева, внутренними источниками тепла, обу-словлеными тепловыделениями при химических реакциях вулканизации и переменными по времени температурами на наружной и внутренней поверхностях шины.

Вне зависимости от типа вулканизационно-го оборудования покрышки нагреваются в ме-

таллических прессформах, обогреваемых паром; внутренний нагрев и прессование осуществляется путем закладки внутрь покрышек резиновых варочных камер или диафрагм. Вид и параметры теплоносителей со стороны формы и диафрагмы неодинаковы (рис. 1).

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1(0 120

Время.мин

Рис. 1. График изменения граничных условий

Тепловая задача такого рода не может быть решена аналитическими методами. Последние целесообразно использовать только для предварительных ориентировочных оценок. Так, вместо сложного составного тела в первом приближении может рассматриваться однородная неограниченная пластина, для которой имеется решение - распределение по толщине и изменение во времени температуры .

В настоящее время для построения режимов вулканизации пневматических шин используется либо метод приведенной пластины , при котором рассчитывается одномерное температурное поле, либо метод плоского сечения , форма которого учитывает особенности протектора шины, для которого рассчитывается

двумерное температурное поле. В первом случае необходимо задать такую толщину пластины, которая бы учитывала насыщенность рисунка протектора и ряд других факторов. Во втором случае в шине выбирается наиболее труднопрогреваемое сечение, выбор которого основан на опыте и интуиции исследователя.

При проведении подобного рода расчетов пренебрегают кривизной профиля покрышки, непараллельностью слоев, разными начальными температурами формы, покрышки и камеры, зависимостью теплофизических характеристик от температуры, с заменой трехмерных (в рисунке протектора) тепловых потоков, выделение теплоты реакции вулканизации.

С целью учета всех особенностей конструкции шины, теплофизических характеристик материалов и внутренних источников тепла разработана методика расчета трехмерного температурного поля с применением метода конечных элементов.

Уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах для расчета температурных полей в трехмерном виде с внутренними источниками тепла, обусловленными тепловыделениями при протекании химической реакции вулканизации:

dt 2 - = aV 2t-d т

где коэффициент температуропроводности

X, ер, р - теплопроводность, теплоемкость и

плотность соответственно; - внутренние источники тепла; оператор Лапласа (для цилиндрической системы координат)

w2 д2 1 д 1 д2 V2 =-

поверхности пресс-формы и диафрагмы соответствующим температурам теплоносителей. Температура на внутренней и наружной поверхностях изделия является функцией времени т. е. заданы граничные условия 1-го рода (см. рис. 1).

Геометрическая модель крупногабаритной шины с конечно-элементной сеткой представлена на рис. 2 с отображением всех особенностей рисунка протектора и конструкции в целом, а также с указанием типов материалов. Ввиду симметричности приведен один шаг шины.

дг2 г дг Г2 дф2 дz

В начальный момент времени температура изделия во всех слоях одинакова и соответствует заданной

В расчете принималось равенство температур

Рис. 2. Расчетная модель

Теплофизические характеристики материалов являются функциями температуры.

Величина внутренних источников тепла определяется тепловым эффектом реакции вулканизации, который зависит от химического состава резин.

Сравнительные расчеты температурных полей различных вариантов выполнены с использованием конечно-элементного пакета MSC Marc. Первый вариант расчета соответствовал методу приведенной пластины, толщина которой выбиралась в соответствии с . Во втором варианте рассчитывалось плоское сечение , которое соответствовало угловой зоне, где толщина покрышки максимальна. Третий вариант соответствовал реальной конструкции (см. рис. 2). Основные результаты расчета представлены в таблице.

Сравнительная таблица времени вулканизации

Параметры Одномерная задача Двумерная задача Трехмерная задача

Без вн. источников С вн. источниками

Время достижения 90 % величины модуля

сдвига, в %, относительно одномерной задачи 100 91,4 88 85,2

Экономия тепла по сравнению

с одномерным расчетом, % 8,6 12 14,8

Таким образом, для крупногабаритной шины с относительно простым рисунком протектора учет трехмерности конструкции и внутренних источников тепла позволяет на 6,2 % сократить время вулканизации, однако, это преимущество не следует распространять на другие типы шин, ввиду существенного влияния вида рисунка протектора, граничных условий и других исходных данных.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. школа, 1967. -599 с.

2. Аранович Ф. Д. Расчет продолжительности вулканизации покрышек сельскохозяйственных и крупногабаритных автомобильных шин методом приведенной пластины, / Ф. Д. Аранович, В. А. Ищенко, Л. Б. Никитина, М. И. Свердел // Каучук и резина. 1976 - № 6. - С. 28-32.

3. Свердел М. И. Программное обеспечение проектирование режимов и некороые аспекты повышения эффективности процесса вулканизации покрышек пневматических шин /М. И. Свердел, А. В. Зимин, Е. А. Дзюра и др. // Вопросы химии и химических технологий. 2002. - № 4.