新型多孔磷石膏砌塊保溫隔熱性能數(shù)值模擬分析

王家輝　黃政華　宋博輝

摘要：為研究新型多孔磷石膏砌塊的保溫隔熱性能，建立數(shù)值模型，通過Fluent有限元模擬軟件模擬其保溫隔熱性能，并引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)對模型的保溫隔熱性能進(jìn)行定量分析;基于圓形孔和橢圓形孔這2種孔洞形狀，分析孔列數(shù)、孔洞率對多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并對孔洞的布置進(jìn)行優(yōu)化探討。研究結(jié)果表明：在保持模型孔洞率不變的情況下，通過增加孔列數(shù)可以提升其保溫隔熱性能;在保持模型尺寸不變的情況下，通過增大模型的孔洞率也可以提升其保溫隔熱性能;在保持模型尺寸和孔洞率一致的情況下，橢圓形孔相較于圓形孔具有更好的保溫隔熱性能，且錯排列孔相較于規(guī)則排孔也具有更好的保溫隔熱性能。因此，新型多孔磷石膏砌塊的最優(yōu)模型為橢圓形錯列孔模型。

關(guān)鍵詞：磷石膏;保溫隔熱性能;有限元數(shù)值模擬;多孔洞

中圖分類號：TU111.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，對多孔建筑材料的相關(guān)研究以混凝土多孔砌塊、頁巖磚多孔砌塊、黏土多孔砌塊等為主，而對采用磷石膏廢棄物為主要材料的多孔砌塊或多孔墻體的研究仍不完善。近年來，隨著人們對固廢利用和建筑節(jié)能的重視，國內(nèi)外學(xué)者對磷石膏多孔建筑材料的力學(xué)和熱工性能方面進(jìn)行了相關(guān)研究。KUMAR[1]在磷石膏、粉煤灰兩種工業(yè)廢棄物中加入石灰，制造足夠強度的空心砌塊，利用其質(zhì)量輕，有較好的傳熱性能的特點來砌筑幕墻和隔墻。KANNO等[2]通過開發(fā)一種新型工藝來制造磷石膏基墻板建筑材料。該工藝由細(xì)水滴加濕、單軸壓縮、水化反應(yīng)、干燥等步驟組成，相比于傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)來說，新型磷石膏基板材在潮濕環(huán)境下韌性更高，力學(xué)性能更優(yōu)，而且這種板材中的石膏材料還可以回收再利用。張逸超[3]通過二維傳熱理論分析，設(shè)計了新型現(xiàn)澆磷石膏墻體的保溫隔熱構(gòu)造和斷橋構(gòu)造，基于熱通道的最佳結(jié)構(gòu)以及確定相關(guān)參數(shù)的計算方法，使現(xiàn)澆磷石膏墻體的傳熱系數(shù)降低了12.3%。董鳳芝等 [4]利用磷石膏、粉煤灰和石灰，按一定比例配料，經(jīng)混合、粉碎、成型等工藝，制成建筑內(nèi)墻用空心砌塊。該砌塊具有防火、隔熱、質(zhì)輕、可加工性好等特點，且安裝方便、造價低，符合建筑物結(jié)構(gòu)大開間、隔斷靈活的發(fā)展趨勢對內(nèi)墻材料的要求。王尚友等 [5]以磷石膏作為主要材料，加入粉煤灰和煤渣等添加劑制成砌塊，保持其孔洞率為40%，并在養(yǎng)護(hù)好的砌塊中進(jìn)行抽樣檢驗，其性能指標(biāo)在表觀密度和抗壓強度上均滿足優(yōu)等品或一等品指標(biāo)。李少杰等[6]利用Fluent軟件，模擬出磷石膏空腔模盒內(nèi)部發(fā)生對流換熱的最優(yōu)空氣層厚度為0.02 m，并改良了磷石膏空腔模盒。張華剛等[7]結(jié)合貴州磷石膏的資源化利用現(xiàn)狀，研究了磷石膏現(xiàn)澆重墻的受力特點和磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)樓蓋的構(gòu)造特點。試點工程表明，現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻應(yīng)用于小高層住宅時具有足夠剛度和良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。易秋等[8]通過在磷石膏基體中摻入長度為3 mm和6 mm的聚丙烯纖維，研究纖維摻量對磷石膏復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，3 mm和6 mm的聚丙烯纖維都可以提高磷石膏材料的延性。董曉龍等[9]研究現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻的平面外偏心受壓性能，通過豎向加載試驗得出：現(xiàn)澆磷石膏可以有效分擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向偏心荷載，在同級偏心豎向荷載作用下，組合墻中混凝土構(gòu)件的壓應(yīng)力明顯低于純網(wǎng)格式框架構(gòu)件的壓應(yīng)力。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對磷石膏墻體材料的力學(xué)性能和熱工性能的研究，以磷石膏墻體材料力學(xué)性能的分析居多，而對多孔磷石膏墻體材料熱工性能的分析較少;同時，市面上多為單孔布置的磷石膏墻體材料，這種材料的孔洞形式和布孔方式單一，其保溫隔熱性能有限。本文在磷石膏墻體材料中采用多孔洞布置，以提高其保溫隔熱性能。綜合考慮了熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射[10]三種傳熱條件，并采用Fluent有限元分析軟件模擬不同豎孔排列和不同孔洞率等條件下的多孔磷石膏墻體的保溫隔熱性能，并計算出對應(yīng)多孔磷石膏墻體模型的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)[11]來定量評價在不同布孔方式下的保溫隔熱性能和節(jié)能效果，為工程應(yīng)用上選擇最優(yōu)的布孔方案提供有益的參考。

1多孔磷石膏墻體數(shù)值模型

1.1數(shù)值模型的建立

多孔磷石膏墻體中的孔洞形狀、孔洞排列及孔洞率會影響其傳熱性能。本文以圓形孔和橢圓形孔為對象，建立基于這2種孔型的不同孔洞排列、不同孔洞率的數(shù)值模型，并進(jìn)行模擬演算，分析兩種孔型在限制條件下的保溫隔熱影響情況。在Auto CAD中先建立數(shù)值模型，輸出.igs文件，并導(dǎo)入ANSYS workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和部件命名，最后將結(jié)果導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行模擬分析。

數(shù)值模型截面尺寸為B（厚）×H（高）×L（長）=72 mm×100 mm×290 mm?？锥绰蕿?0.5%，帶有孔洞的數(shù)值模型如圖1所示。

1.2模擬參數(shù)設(shè)定

Fluent是國際上流行的商用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）軟件包，具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強大的前后處理功能，可對高超音速流場、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動/變形網(wǎng)格、噪聲等流動問題進(jìn)行精確的模擬，具有較高的可信度[12]。

本文采用Fluent軟件實現(xiàn)模擬功能。模擬分析之前，對物理環(huán)境和材質(zhì)本身的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在Fluent中設(shè)置邊界條件，選取左側(cè)板溫度為278.15 K（模擬室外溫度），右側(cè)板溫度為291.15 K（模擬室內(nèi)溫度），前后板選絕熱。磷石膏材料表面發(fā)射率取0.85[13]，磷石膏導(dǎo)熱系數(shù)取值為0.275 6 W/（m·K）[14]，其他材料的取值為Fluent軟件默認(rèn)值，見表1。

1.3當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)計算

由于多孔磷石膏墻體模型為非均質(zhì)材料，用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)來表征導(dǎo)熱系數(shù)。由軟件熱流量報告中導(dǎo)出多孔磷石膏墻體模型兩側(cè)傳入傳出的熱流量，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)λe計算公式[11]為

λe=Q·L/S·Δt·k （1）

式中：Q為數(shù)值模型兩側(cè)傳入傳出的熱流量，W;L為數(shù)值模型的厚度，m;S為模型的面積，m;Δt為模型兩面高溫側(cè)與低溫側(cè)壁面溫差，℃;k為修正系數(shù)，見表2。

將數(shù)值模型導(dǎo)入Fluent，先進(jìn)行邊界命名，網(wǎng)格劃分，再輸入模擬環(huán)境參數(shù)和模型自身相關(guān)參數(shù)，設(shè)置計算迭代次數(shù)，等待計算結(jié)果，并提取Q。圖2為多孔磷石膏墻體模型模擬流量報表。

由式（1）計算得數(shù)值模型的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為

λe=1.02×0.072/0.029×13 ×0.92

=0.179 2 W/（m·K）

2圓形孔模型

2.1孔列數(shù)對多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響圓形孔模型下，保持模型孔洞率為38.5%，建立4個不同布孔列數(shù)的數(shù)值模型，模擬分析孔列數(shù)對多孔磷石膏砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。不同孔列數(shù)的數(shù)值模型如圖3所示，模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：對于圓形孔模型，從1列到2列，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降了12.2%;從2列到3列，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降了5.9%;從3列到4列，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降了4.3%。當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降最大的是由1列孔到2列孔，2列孔到3列孔和3列孔到4列孔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)雖有下降的趨勢，但是速度放緩。因此，增加孔列數(shù)可以降低當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，而且隨著孔列數(shù)的增長，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的降低放緩。

2.2孔洞率對多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響圓形孔模型下，控制孔洞個數(shù)和模型尺寸不變，建立了孔洞率為8.0%，19.2%，32.4%，50.7%的數(shù)值模型，模擬分析孔洞率對多孔磷石膏砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。不同孔洞率的數(shù)值模型如圖5所示，模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：隨著圓形孔多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型孔洞率的增大，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)逐步降低。圓形孔孔洞率和其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)成反比關(guān)系，孔洞率增大得越多，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)減少得越多，相應(yīng)的多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型的保溫隔熱性能提升效果明顯。

3橢圓形孔模型

3.1孔列數(shù)對多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響橢圓形孔模型下，保持模型孔洞率均為38.5%，建立4個不同布孔列數(shù)的數(shù)值模型，模擬分析孔列數(shù)對多孔磷石膏砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。不同孔列數(shù)的數(shù)值模型如圖7所示，模擬結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：對于橢圓形孔模型，從1列到2列，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降了18.6%;從2列到3列，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降了11.2%;從3列到4列，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降了7.6%。當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)從1列孔模型到2列孔模型下降的幅度最大，而后下降幅度降低。3.2孔洞率對多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響橢圓形孔模型下，控制孔洞個數(shù)和模型尺寸不變，建立了孔洞率為8.0%，19.2%，32.4%，50.7%的數(shù)值模型，模擬分析孔洞率對多孔磷石膏砌塊當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。不同孔洞率的數(shù)值模型如圖9所示，模擬結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，隨著橢圓形孔多孔磷石膏砌塊數(shù)值模型孔洞率的增大，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)值相應(yīng)減少。4數(shù)值模型布孔方式優(yōu)化

由圓形孔模型和橢圓形孔模型的數(shù)值模擬結(jié)果可以得出：

1）不同的孔列數(shù)和孔洞率對兩種模型的熱流量和當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)都有影響;

2）增加模型的布孔列數(shù)和提高模型的孔洞率都可以降低兩種模型的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。

在圓形孔模型和橢圓形孔模型的數(shù)值模擬試驗中，模型的布孔方式都為規(guī)則列孔，現(xiàn)對布孔方式進(jìn)行錯列設(shè)計，研究在相同孔列數(shù)和孔洞率下，布孔方式對模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。對圓形孔和橢圓形孔模型，提升孔洞排列的密集度，保持孔洞率為32.0%，孔列數(shù)為7，分析布孔方式對模型當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響。不同孔形和孔排列的數(shù)值模型如圖11所示，模擬結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知：在相同的孔列數(shù)和孔洞率下，改變布孔方式，由規(guī)則列孔改變?yōu)殄e列孔，圓形孔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)降低了5.1%;橢圓形孔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)降低了4.4%;橢圓形錯列孔比圓形錯列孔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)降低了6.5%，這是因為錯列孔減少了單個孔洞的體積，同時增加了熱流傳播的路徑值，提高了熱阻，使得當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)減小。因此，通過對模型布控方式的優(yōu)化，可以在一定程度上降低其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。

5結(jié)論

1）本文采用有限元數(shù)值模擬方法研究多孔磷石膏砌塊的保溫隔熱性能，在軟件模擬中考慮了熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射以更貼近于實際工況，并針對圓孔形和橢圓孔形分別建立相應(yīng)的砌塊數(shù)值模型模擬了不同孔列數(shù)、孔洞率條件下砌塊模型的保溫隔熱情況。

2）由模擬結(jié)果可知：增大孔列數(shù)或孔洞率，或者將布孔方式以錯排布孔都可以降低相應(yīng)模型的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。同時，因為橢圓形孔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)值都要低于圓形孔，所以最優(yōu)的多孔磷石膏砌塊模型為橢圓形錯列孔模型。

3）多孔磷石膏砌塊可以利用孔洞內(nèi)部的空氣作為熱的不良導(dǎo)體而實現(xiàn)建筑能耗的降低，而且在實際施工制造過程中采用磷石膏這一工業(yè)廢棄物為基礎(chǔ)配料，可以實現(xiàn)對磷石膏的再利用，對建筑節(jié)能方面的拓展研究具有積極意義。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Numerical Simulation Analysis on Thermal Insulation Performance

of New Porous Phosphogypsum Block

WANG Jiahui HUANG Zhenghua SONG Bohui

（1.School of Architecture and Urban Planning， Guizhou University， Guiyang 550025， China;

2.School of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： In order to study the thermal insulation performance of new porous phosphogypsum block， a numerical model is established. Then the thermal insulation performance is simulated by Fluent finite element simulation software， and the equivalent thermal conductivity coefficient is introduced to quantitatively analyze the thermal insulation performance of the model. Based on the shape of circular hole and elliptical hole， the influence of hole number and hole rate on equivalent thermal conductivity of porous phosphogypsum block numerical model is further analyzed， and the arrangement of holes is optimized. The results show that the thermal insulation performance can be improved by increasing the number of holes in the model while keeping the hole rate constant. When keeping the model size constant， the thermal insulation performance can also be improved by increasing the porosity of the model. When keeping the model size and void ratio consistent， elliptical holes have better thermal insulation performance than circular holes， and staggered holes also have better thermal insulation performance than regular holes. Therefore， the optimal model of new porous phosphogypsum block is the model of elliptical holes and staggered holes.

Key words： phosphogypsum; thermal insulation performance; finite element numerical simulation; porous