Исследование теплотехнической однородности зданий с однослойными ограждающими конструкциями в условиях эксплуатации на Среднем Урале

Главное меню

File – содержит команды создания, открытия и сохранения файлов, печати.

Edit – содержит команды выделения и снятие выделения со всех объктов.

Options – библиотеку материалов, вкладки расчетных процессов и результатов; лицензии и общих настроек программы. 

Help – содержит обширную справочную систему.

Начало работы

Рассмотрим основные особенности работы с ПО  Comsol Mutiphysics, необходимые нам для теплотехнического расчёта строительных конструкций.

Для создания и теплотехнического расчета модели необходимо использовать следующую последовательность действий.

1.      Выбирать тип создаваемой модели.

2.      Задать геометрию модели.

3.      Задать свойства материалов конструкции.

4.      Задание граничных условий.

5.      Задать параметры сетки элементов и её построение.

6.      Расчет и обработка результатов.

Стационарный расчет.

1.      Тип создаваемой модели.

     А. При открытии программы, в окне «Select Space Dimension» необходимо выбрать из шести вариантов модели необходимый вид. Нажатием стрелочки, переходим к следующему этапу.   

     Б. В окне «Add Physics» выбираем процесс исследования. В нашем случае это «Heat transfer». Переходим к следующему этапу.

    В. В списке «Custom Studies» выбираем вид расчета. Выбираем «Stationary» - стационарный расчет при котором, все свойства материалов и физические условия не изменяются. Нажимаем кнопку «Финиш».

2.      Задание геометрии.

     Теперь необходимо создать расчетную модель. Начнем с геометрии.

     В вкладке «Model Builder» правой кнопкой нажимаем на надпись «Geometry». В всплывающем окне нажимаем «Block». Задаем размеры нашего блока. Начинаем построение с фундаментной плиты. Длинна – 5000, ширина – 11000, высота – 300. Нажимаем кнопку  «Build All».

     Таким же образом задаем геометрические размеры следующего блока, бетонной ленты до выхода на нулевой уровень(длинна – 5000, ширина – 11000, высота -600).Затем задаем размеры блока( длинна-4500, ширина – 10000, высота-600), этот блок имитирует заполнение утеплителем под полом 1-го этажа. Но необходимо указать расположение данного блока. В поле «Position» указываем относительно чего будет смещен объект (центр или угол ), а так же смещение по осям. Для данного блока выберем смещение относительно угла (Corner) по оси Y на 500 мм, по оси Х на 500 мм, по оси Z на 300 мм(на величину фундаментной плиты).Нажимаем  «Build All».

Блок №3 находиться внутри блока №2, потом, при назначении св-в материала назначаем сначала св-ва блоку №3 (шлакоблок, проектное решение). Разнице между блоками №3 и №2 назначаем свойства материала «Concret», каждый следующий блок при пересечении с уже созданными, образуют новые блоки, которым можно задавать разные свойства материала.

Рис.3

На рис.3 блок №3 уже разбит на отдельные блоки последующими построениями блоками отмостки, зеленым цветом выделена часть блока №3, при этом остальным блокам выделенным синим цветом также назначены свойства материала «Concret». Строим блок №4 который определяет перекрытие 1 этажа в модели задаем размеры и привязку по расположению в пространстве. На рис.4 выделен красным цветом.

Рис. 4

Блок № 5 определяет основной объем здания по внешним размерам, блок № 6 определяет объем по внутренним размерам, разница между блоками по объему определит наши стены. Блок №6 обозначен зеленым цветом на рис. 5.

Рис. 5

Следующие блоки строим таким же образом. Особое внимание обращаем на вкладку “Position”, так как здесь определяется положение блока в пространстве. Остановимся подробнее на построении слоя штукатурки, задаем ее 3мя блоками №20,№21,№22

Рис.6

Рис.7

Слой штукатурки на рис.7 выделен синим цветом, при назначении блокам одного свойства материала, в дальнейшем при выделении одного из блоков выделяются все блоки с подобными свойствами, программа автоматически  переопределяет номера блоков.

Команда «Difference» используется, чтобы вырезать блоки где будут располагаться окна, а затем отдельно вставить блоки определяющие окна. Рис.8

Рис.8

На вкладке «difference» в окно «objects to add» добавляются блоки из которых требуется вырезать и блоки которые будут вырезаться(блок выбирается левой кнопкой мыши и добавляется правой кнопкой). В окно «objects to subtract» добавляются блоки которые необходимо вырезать. Нажимаем кнопку  «Build All» и блоки удаляться с модели. Рис.9

Рис.9

Команда «Copy» копирует уже созданные блоки оконных перемычек на первом этаже и размещает на втором. Рис.10

Рис.10

В окно «input objects» вносятся блоки которые нужно скопировать, в вкладке «Displacement» заносятся координаты куда нужно скопировать выбранные блоки, координаты вводятся относительно копируемого блока.

Команда «array» создает массив элементов начиная с выбранного. Рис.11

Рис.11

Строим блок №39 который определяет балку перекрытия, затем вносим его во вкладку «input objects» правой кнопкой мыши, во вкладке «size» задаются размеры массива(т.е. кол-во элементов вдоль одной из осей). Во вкладке «Displacement» задаем шаг балок вдоль нужной оси. Нажимаем кнопку  «Build All» и строиться нужный массив балок. Рис.12

Рис.12

     Также возможен импорт геометрии из внешних CAD – систем. Рассмотри алгоритм импорта из AutoCad. Для это необходимо модель экспортировать в формате Parasolid Fail. Для этого можно воспользоваться пакетом Autodesk Inventor, не ниже 10 версии. Затем в под меню «Geometry» выбрать вкладку «Import». Затем указать расширение импортируемого файла и путь к нему.

Нажимаем кнопку «Build All».

     Если в дальнейшем данный узел будет рассчитываться при других условиях, для удобства необходимо создать экспортный файл. Для этого нужно в подменю «Geometry» выбрать «Export». Указать место сохранения файла и его имя. При необходимости добавить его в новую модель нужно следующим образом: в подменю «Geometry» выбрать «Import» и указать путь к файлу.

Следующие блоки строим таким же образом.

3.      Задание свойств материалов .

     Необходимо каждому блоку нашего узла задать физические свойства. Для этого нажимаем правой клавишей мыши на значок «Materials». В всплывающем окне мы можем выбирать из двух предложенных вариантов «Material» и «Open material browser». При выборе последнего пункта мы попадаем в библиотеку материалов с уже заданными свойствами, предложенную нам разработчиками. В библиотеке представлен довольно широкий список различных материалов. Переходим на вкладку «built-in» и из представленного списка выбираем необходимые материалы. Например, нам требуется кирпич, находим «brick» и при нажатии правой кнопки добавляем наш материал в модель«add material to model».

Рис.13

Если нас не устраивают какие-то из свойств данного материала, мы можем их изменить на вкладке «material contents». В столбике с численной характеристикой необходимой величины «value» вписываем собственное значение. В случае если мы не находим нужного материала в библиотеке, то задаем его самостоятельно. При нажатии правой кнопки на «materials». Выбираем «material», и у нас появляется под-каталог с порядковым номером выбранного материала, для удобства лучше переименовать, чтобы не путаться, при большом кол-ве материалов в модели. Таким образом мы создаем новый материал и переходим в меню назначения его свойств. Зададим свойства твинблока. В меню «Selection» мы добавляем все блоки имеющие данные свойства. В меню «Materials Properties» выбираем необходимые свойства материала, которые участвуют в расчете «Density», «Heat capacity at constant pressure», «Thermal Conductivity», в меню «Materials contents» вводим значения теплопроводности, плотности и теплоемкости.(Рис14) В случае если при выбранном виде расчета не заданы какие-то параметры у материала, то программа нас предупреждает и показывает какие величины необходимо еще указать.

Рис.14

     Перейдем во вкладку «Model Builder ». Для удобства отображения материалов переименуем его: Material – Rename. Назовем его «Твинблок».

При добавлении блоков в окно «selection» им присваиваются свойства выбранного материала, в дальнейшем при нажатии на кнопку нужного материала, выделяются синим цветом все элементы которым назначены свойства данного материала(например «Concrete» Рис.13).

     Создадим все материалы таким же образом.

     Для дальнейшего удобства в использовании материалов - что бы каждый раз не задавать теплофизические характеристики, необходимо каждый материал внести в библиотеку материалов: нажимаем правой кнопкой мыши на материал и выбираем «Add materials to library».

4. Задание  граничных условий.

Задание Физических свойств в областях, Граничных Условий и условий на ребрах или точках происходит в соответствующих режимах, которые автоматически включаются при открытии окон ввода свойств этих элементов. Вручную режимы включаются кнопками Point Mode, Edge Mode, Boundary Mode и Subdomain Mode  или командами из раздела меню Physics>Selection Mode>…

Граничные условия задаются через Physics> Boundary Settings или F7. В этом окне выбрать необходимые границы в поле Boundary selection. Для того, чтобы задать температурный перепад на границе двух тел надо сначала включить галочку Interior boundaries иначе внутренние границы будут недоступны. Во вкладке Coefficients надо выбрать вид граничных условий и указать в соответствующих полях коэффициенты ГУ. На рисунке показан пример задания граничного условия третьего рода. В поле Equation выводится соответствующее уравнение.

Как и в окне Subdomain Settings в окне Boundary Settings последней версии программы - СOMSOL 4.2 появились вкладки Groups и Color присваивающие границам с различными ГУ разные цвета. В режиме расчета теплопереноса излучением в модуле General Heat Transfer, кроме группировки по свойствам теплообмена, для экономии вычислительных ресурсов, появляется группировка по взаимодействующим границам. То есть принято, что обмениваются излучением («видят друг друга») только границы принадлежащие к одной группе. Эта группа задаётся отдельным полем Member of Group(s) во вкладке Boundary Condition.

В некоторых моделях (в основном связанных с электричеством) кроме свойств на границе необходимо задавать свойства ребер и точек. В режиме Fluid Flow>Incompressible Navier-Stokes так же необходимо задавать давление в точке.

Часто при моделировании сложных систем, например радиоэлектронных аппаратов кассетного типа, выделяют элементарный объем и проводят расчет для этого элементарного объема. Для корректного расчета необходимо задать особый вид граничных условий – периодические граничные условия. В программе они задаются с помощью команды меню Physics>Periodic Condition. Кроме условий на границе Boundary требуется задать периодические свойства для точек Point и в некоторых режимах для ребер Edge. Настройки этих окон позволяют задать зависимость противоположных границ элементарного объема.

Для некоторых классов мультифизических задач, где надо связать два объекта с разным типом сетки (например, прямоугольную сетку в одной части системы с треугольной в другой) и граничными условиями неразрывности можно применять условия идентичности Physics>Identity Conditions.

В COMSOL 4.2 есть много возможностей гибкой настройки системы под каждую конкретную задачу. Можно изменять систему Дифференциальных Уравнений в Частных Производных (PDE). Для этого служит группа команд Physics>Equation system. Эти команды позволяют в широких пределах изменять исходные PDE, способы задания начальных и граничных условий, а также параметры конечных элементов.

Рассмотрим на примере уравнения теплопереноса.[1] В общем виде нестационарный процесс переноса выражается в коэффициентной форме уравнением 1.1:

                                         1.1

В прикладных режимах это уравнение представляется в упрощенном виде без лишних членов. Например, нестационарное уравнение теплопроводности (режим Heat Transfer>Conduction) выглядит так:

                                                                                                                     1.2

То есть ca, α, β, γ и a равны нулю. C учетом конвекции в режиме Heat Transfer>Convection and Conduction добавляется коэффициент α=ρ*Cp*u (где u поле скоростей) и уравнение выглядит так:

                                                                                           1.3

Для быстропротекающих тепловых процессов, где закон Фурье уже не работает, добавляется коэффициент Сa со второй производной по времени от температуры [3], стандартный прикладной режим теплопереноса его учитывать не будет.

Чтобы самостоятельно добавить значения необходимых коэффициентов открываем окно Physics>Equation system>Subdomain settings или Ctrl+F8, здесь можно для каждой подобласти (Subdomain) задать в прямом виде значение любого коэффициента PDE или же изменить формулу вычисления коэффициентов. У каждой области для которой мы примем изменения, появится значок замка. Он будет виден и из окна Physics>Subdomain settings. Приоритет всех значений у окна Physics>Equation system>Subdomain settings, поэтому надо проверять какие коэффициенты уже здесь указаны, а лишь потом задавать материальные свойства в Physics>Subdomain settings. Сбросить все изменения системы уравнений можно кнопкой Reset Equation.

Для изменения формул ГУ служит окно Physics>Equation system>Boundary settings или Ctrl+F7. Работа с ним аналогична предыдущему. С помощью команды Physics>ODE settings в COMSOL 4.2 можно добавить любые Обыкновенные Дифференциальные Уравнения.

Рис.15

Во вкладке «heat transfer» первые три пункта создаются автоматически, «heat transfer in solids» назначается всем блокам на макете, если в дальнейшем мы не решим переопределить перенос тепла в каком-либо блоке, на рис.15 отмечена вкладка «heat transfer in fluids» которая переопределяет блоки имитирующие объем воздуха, поэтому на рис.15 не выделены блоки со свойствами воздуха. Во вкладке «thermal insulation» автоматически выбираются все поверхности, в дальнейшем они переопределяются новыми вкладками, и остаются те поверхности через которые не происходит теплообмена. Рис.16 В нашем случае это подошва фундамента, и боковые грани отмостки.

На рис.17 показано как добавляется источник теплоты в модель. При нажатии правой кнопки мыши на вкладку «heat transfer» выбираем пункт «heat source», добавляем в окно «selection» блоки которые будут являться источниками теплоты, и назначаем мощность теплового источника, на рисунке выделяются синим цветом. «Initial values» -начальные условия, определяют температуру блоков модели, при которых начинается расчет. Ели блоки модели находятся при разных начальных условиях то во вкладке «heat transfer» выбираем пункт «Initial values» и задаем блоки которые находятся при другой начальной температуре. В нашем случае начальные условия для модели одинаковы и T=295[K].(рис.18)