多场耦合作用下屋面系统设计与宏观性能演变研究

发布时间：2020-07-08 12:48

【摘要】：近年来,我国的建筑业飞速发展,在建筑上的能耗也不断增加,建筑节能这一领域获得了研究人员越来越广泛的关注。本文以多孔介质传热传质学为理论基础、建筑屋面结构内的热湿迁移及上人荷载等问题为工程背景,对夏热冬冷地区的屋面系统进行结构设计,并对其宏观性能演变规律进行研究。首先,本文对市场上常见的保温隔热材料及传热模型进行阐述,考虑屋面所处的实际环境,对传热、传湿、应力应变及其耦合方程进行了深入研究,得出三种因素对材料导热系数的影响规律。其次,本文利用导热系数测试仪对单个保温隔热材料及复合材料进行测试,将实验结果与COMSOL有限元软件仿真结果进行对比分析,研究表明COMSOL仿真结果与实测数据较为吻合,其相对误差不超过5%。进一步利用COMSOL软件对屋面系统进行模拟与设计,模拟结果表明:材料组合的正置性和倒置性对保温隔热性没有影响;保温隔热层的形状及拼接方式对传热过程影响较小;界面处不同材料的选取会导致热桥效应的增加,对保温隔热性能影响较大。由于仿真计算可能会存在几何尺寸效应,因此对单个材料选择不同的长度、宽度及高度进行计算。结果表明:材料的厚度对传热过程有着很大的影响,且厚度与传热速率呈非线性增长趋势;而长度和宽度对传热过程不会有无任何影响。将单个材料进行复合得到小部品构件,并将小部品构件拼接数量进行计算,发现随着拼接数量的增加,传热过程会逐渐加快。最后,本文结合冻融、湿热、干湿、高低温及多场耦合耐候性实验对基本材料及材料组合进行导热系数宏观演变规律,结果表明:泡沫混凝土开孔率高,强度低,受干湿循环、高低温循环和冻融循环作用下出现泡孔的破坏倒塌,板材开裂,导致保温隔热性能下降,而在多场耦合作用下会产生长度为2~4 cm的裂纹,随龄期增长,裂纹数目增多,导热系数逐渐提高;聚氨酯硬泡主要受湿热老化的影响,湿热环境致使聚氨酯硬泡氨基甲酸酯基降解,表层形成空洞及倒塌型泡孔,原封闭泡孔的破裂、倒塌和发泡剂气体的逸出导致聚氨酯硬泡在湿热环境和多场耦合作用期间导热系数值持续上升;真空绝热板因其阻隔膜良好的阻气阻湿作用,从而在上述不利环境中维持性能稳定。复合构造的保温隔热材料性能变化主要取决于复合基材,但复合构造有助于缓解环境对特定材料造成的不利影响,避免保温隔热材料因热工性能出现急剧下降而失效。利用COMSOL软件对屋面复合材料分别计算热传递、热湿耦合传递和热固耦合传递,结果表明:热固耦合会略微加快传热过程,但其偏差可以忽略;而考虑防水层时热湿耦合会减缓传热过程,这是因为屋面的防水层使得水一直覆盖在材料的表面,高温下液态水蒸发带走部分热量从而减缓传热过程;而当不考虑防水层时即各材料接触处为饱和水时,热湿耦合的传热速率比热固耦合要快得多;在多场耦合的基础上,进一步的结合实际工厂的需要对屋面系统结构进行优化与设计,结果表明:保温隔热材料之间的宽度在60mm以内为最佳;在屋面系统四周粘贴一层保温材料的方案比构造方案能够更好的进行阻热,从而达到断热桥的情况。本文通过耐候性实验和COMSOL三维仿真对屋面系统进行多场耦合模拟,从屋面材料的选取到结构设计上分别进行了分析,得到了保温隔热性能较好的屋面构造形式,这为今后实际屋面设计提供了一定的指导意义。
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU111.41;TU551

【参考文献】