基于Ansys的复合墙体温度场及热阻仿真分析秦美镇

基于 Ansys 的复合墙体温度场及热阻仿真分析秦美镇
发布时间：2021-11-10T08:38:22.335Z 来源：《基层建设》2021年第21期作者：秦美镇
[导读] 复合墙体是由两层纤维水泥板和一层岩棉结构组成，更为复杂的还添加了钢角码和钢龙骨进行了四周包裹。

墙体的各组成结构材料和厚度不同导致密度和导热系数等有所不同。

由于受到室内室外冷热环境的影响情况有所不同
山东建筑大学 250101
摘要：复合墙体是由两层纤维水泥板和一层岩棉结构组成，更为复杂的还添加了钢角码和钢龙骨进行了四周包裹。

墙体的各组成结构材料和厚度不同导致密度和导热系数等有所不同。

由于受到室内室外冷热环境的影响情况有所不同，其墙体结构的传热情况也有所变化，通过 Ansys 的稳态热分析对符合墙体的整体热阻情况进行了分析。

关键词：复合墙体，纤维水泥板，岩棉，钢角码，热阻
1. 复合墙体情况简述
如图 1-1 所示，该墙体模型在试验的基础上遵循简化原则：墙体系统由外侧纤维水泥板，中部岩棉，内侧纤维水泥板三层构成且彼此紧密贴合；材料各项同性；不考虑墙体表面换热系数，环境温度与墙板两侧温度相同；墙体两侧环境温度（冷侧-10℃，热侧+35℃）选取与实验室相同便于横向比较；墙体温度场不影响内部湿度场变化[1]。

要求通过建模和热流仿真分析，获得该复合墙体的系统热阻或传热系数。

图 1-1 复合墙体二维图
2. 三维建模
根据二维图纸以及模型在试验基础上的简化原则，通过 Solidworks 建模软件对该图纸进行了简化建模，建模流程如下：
建立墙体岩棉部分的实体模型，尺寸：1750x1750x150(X Y Z)；在岩棉实体一侧建立墙体内侧纤维水泥板部分的实体模型，尺寸
1750x1750x8(X Y Z)；在岩棉实体另一侧建立墙体内侧纤维水泥板部分的实体模型，尺寸 1750x1750x10(X Y Z)；建模完成后，保存建模数据用于后期仿真分析。

对于 SB-01 结构的复合墙体与 SA-01 的区别在于 SB-01 的墙体四周包裹了一圈钢结构龙骨和一圈钢角码作为支撑，按照复合墙体的简化原则，在建模过程中将钢结构龙骨和钢角码简化合并在了一起。

另外在岩棉结构面积上与 SA-01 相比有所降低。

3. Ansys 仿真分析
该模型采用热流分析（Steady-state thermal），有限元分析流程如下：设定材料数据库，因为软件自带的材料库不符合工程实际，这里分别
建立了“Cement pressure plate (outside)”、“Cement pressure plate (inside)”、 “Rock wool”三个新的材料属性，分别定义了其密度和导热系数，具体参数如表 3-1 所示。

表 3-1 材料属性参数表
墙体材料外侧水
泥压力板岩棉内侧水
泥压力板
材料编号123
导热系
数 W/(m·k)
0.470.0450.41
密度 g/cm3 1.620.081 1.42
厚度 mm101508
(5)设定输出结果，添加“温度场结果输出”和“热流密度结果输出”，运行求解。

仿真结果表明：
对于 SA-01 结构的复合墙体，如下图所示，在上述边界条件下的最高温度和最低温度值分别为 35℃和-10℃，其总传热密度值为
13.333W/m2。

图 3-1SA-01 温度场分析结果图；SA-01 总热流密度分析结果图
对于 SB-01 结构的复合墙体，如下图所示，在上述边界条件下的情况就有很大的不同，最高温度和最低温度值分别为 35.156℃
和-10.144℃，其总传热密度值为 7.3311e-15～15063W/m2。

(1) 导入模型，将 Solidworks 里建好的三维模型文件导入到 Ansys 中进行仿真分析。

(2) 指定模型几何体的材料属性，对【Geometry】中的“Part1”、“Part2”、 “Part3”分别指定“Cement pressure plate (outside)”、“Cement pressure plate (inside)”、“Rock wool”对应的材料属性。

(3) 划分网格，该处 SA-01 采用系统默认划分网格方式。

对于 SB-01 结构的复合墙体由于岩棉结构与钢包围结构的原因需要对网格的划分进行适当的细化才能不影响材料的分析，此处将网格划分比例调整到了 0.05，然后再进行了系统默认网格的划分[2]。

(4) 施加边界条件，分别建立温度载荷“Temperature”指定复合墙体内测温度为 35℃，“Temperature2”指定复合墙体外侧温度为-10℃[3]。

图 3-2SB-01 温度场分析结果图；SB-01 热流密度分布结果图
4. Ansys 仿真结果计算和分析
（1） SA-01 仿真结果计算和分析
根据 SA-01 仿真结果以及公式进行计算，其过程如下所示：
其中，d 为最高温度与最低温度的温差，q 为热流密度，K 为传热系数，
R 为热阻。

故通过该仿真分析计算得知，该复合墙体 SA-01 结构的系统总热阻值为。

（2） SB-01 仿真结果分析
根据 SB-01 仿真结果易知，由于该结构并不是均布的，因此其无论是在温度场上，还是在热流密度的变化上都与 SA-01 的仿真结果出现了明显的不同[4]。

如下图所示，其在内部岩棉结构上的热流密度仍然为 13 W/m2
左右，但是在其四周包裹的钢结构框体上热流密度值却达到了 10000 W/m2 以上[5]。

这种情况是无法直接进行一个系统整体的热流密度计算从而得出热阻值的。

参考文献
[1] 朱红钧. ANSYS 14.5 热流固耦合实战指南[M]. 人民邮电出版社, 2014: 379.
[2] 李敏，刘斌. 基于 ANSYS 的群腔瓶坯模热流道板温度场分析与应用
[J]. 塑料工业. 2018, 46(10): 48-51.
[3] 朱军帅.油浆泵机械密封结构改进及热流固耦合分析[D]. 西华大学,2018.
[4] 邹丽梅，林权. 基于 ANSYS 的热嘴传热模拟分析及模具设计[J]. 现代塑料加工应用. 2017, 29(05): 52-55.
[5] 陈岩松. 高热流密度数据机房新型散热技术研究[D]. 吉林建筑大学, 2019.。