Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современное состояние развития народного хозяйства характеризуется все возрастающей ролью задач энергосбережения. В строительной и смежных отраслях промышленности одним из основных направлений решения этой задачи является повышение теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций. Это достигается применением теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью. Однако, большинство подобных материалов имеет низкие прочностные характеристики. Поэтому одним из решений этой задачи является создание составных стенок или стенок с внутренними полостями, где основной материал, обладающий, как правило, относительно высокой теплопроводностью, несет силовую нагрузку, а среда в полости, имеющая более низкую теплопроводность, обеспечивает теплоизоляцию. В частности, этот принцип реализуется в производстве строительного кирпича с внутренними пустотами.
В силу многообразия параметров задачи и их комбинаций эмпирический поиск рациональных (или оптимальных) форм и размеров внутренних полостей является трудоемкой и продолжительной задачей. Выбор рациональных параметров стенок с внутренними полостями может быть значительно упрощен и облегчен с помощью математических моделей этого процесса и его программно-алгоритмического обеспечения, тем более, что современный уровень развития строительной теплофизики уже содержит математические описания отдельных его составляющих, позволяющие достаточно достоверное их прогнозирование. Эти модели должны базироваться на расчетах теплового потока через стенку с полостями, то есть на решении как минимум двухмерной задачи теплопроводности через плоскую стенку с внутренними полостями, имеющими в общем случае произвольную конфигурацию. Аналитические методы решения подобных задач, как правило, не существуют, а численные методы - громоздки и плохо поддаются инженерной интерпретации.
Таким образом, разработка математических моделей и базирующихся на них методов инженерного расчета, позволяющих анализировать и оптимизировать форму и размеры внутренних полостей, обеспечивающих компромисс между теплоизоляционными и прочностными свойствами, является актуальной научной и практической задачей.
Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и тематическим планом НИР ИГХТУ.
Цель работы состояла в разработке методов расчета и научно обоснованных рекомендаций по проектированию строительных изделий и конструкций с внутренними полостями, обеспечивающими повышение их теплоизоляционных характеристик и компромисс между снижением теплового потока и прочностных свойств.
I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ]
3 БИБЛИОТЕКА
I С.-Петербург
I ОЭ 200(яктС/С/\
Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.
-
Предложен комбинированный критерий эффективности стенки с внутренними полостями, являющийся отношением коэффициента ослабления теплового потока и коэффициента ослабления сечения стенки.
-
Разработана одномерная ячеечная модель теплопередачи через составную плоскую стенку, состоящую из слоев с разной температуропроводностью, позволяющая описывать как нестационарные, так и установившиеся тепловые процессы в ней.
-
Показано, что при постоянной толщине всей стенки комбинированный критерий ее эффективности имеет оптимум по толщине слоев, зависящий от соотношения их температуропроводностей.
-
Разработана двухмерная ячеечная математическая модель теплопередачи через стенку с внутренними полостями, позволяющая рассчитывать распределение температуры и тепловые потоки через нее как в нестационарном, так и в установившемся состоянии. Показано, что рациональная форма и размеры полости с точки зрения комбинированного критерия зависят от того, из какого механического условия рассчитывается коэффициент ослабления сечения.
-
Выполнены численные эксперименты по исследованию влияния на характеристики стенки прямоугольной полости и предложены рекомендации по рациональным (оптимальным) размерам полости.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.
-
На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета тепловых потоков через стенки с внутренними полостями, позволяющий рассчитывать распределение температуры и тепловые потоки через нее как в нестационарном, так и в установившемся состоянии, а также программно-алгоритмическое обеспечение метода.
-
Исследовано влияние формы и размеров полостей на ослабление теплового потока через стенку и на ухудшение ее механических характеристик и предложены рациональные формы и размеры полостей, обеспечивающие компромисс между этими характеристиками.
-
Разработанные методы расчета и их программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по проектированию внутренних полостей приняты к внедрению на ОАО «Ивановский завод керамических изделий».
Автор защищает:
1. Одномерные и двухмерные ячеечные математические модели теплопроводности в среде со скачкообразным изменением теплофизических свойств, позволяющие описывать переходные и установившиеся тепловые процессы в стенках с внутренними полостями произвольной конфигурации.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию влияния формы и размера полости на ослабление теплового потока через стенку и ее механических свойств.
-
Найденные рациональные размеры полостей, обеспечивающие компромисс между повышением теплоизоляционных и снижением механических характеристик стенки.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на VII Международной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования», Иваново, 2005, а также на научно-технических семинарах кафедры экономики и финансов ИГХТУ и кафедры прикладной математики ИГЭУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (96 наименований) и приложения.
