CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах

Рассмотрена CFD-модель, учитывающая процессы сопряжённого переноса пара и влаги, поступающие в пористые строительные материалы из влажного воздуха. В отличие от существующих, рассмотренная модель учитывает сопряженный паро- и влагоперенос, а также соотношение между паровой и влажностной составляющим...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Круковский, П.Г., Полубинский, А.С., Тадля, О.Ю., Коваленко, В.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2015
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142155
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах / П.Г. Круковский, А.С. Полубинский, О.Ю. Тадля, В.Н. Коваленко // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 32-43. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142155
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1421552018-09-30T01:22:49Z CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах Круковский, П.Г. Полубинский, А.С. Тадля, О.Ю. Коваленко, В.Н. Тепло- и массообменные процессы Рассмотрена CFD-модель, учитывающая процессы сопряжённого переноса пара и влаги, поступающие в пористые строительные материалы из влажного воздуха. В отличие от существующих, рассмотренная модель учитывает сопряженный паро- и влагоперенос, а также соотношение между паровой и влажностной составляющими в соответствии с кривой сорбции, имеющейся для рассматриваемого строительного материала. Проведен анализ особенностей реализации разработанной модели в среде программы ANSYS-FLUENT и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными при увлажнении газобетона. Розглянуто CFD-модель, що враховує процеси переносу пари та вологи, що надходять в пористі будівельні матеріали з вологого повітря. На відміну від існуючих, розглянута модель, яка враховує спряжений паро- та вологоперенос, а також співвідношення між паровою та вологістною складовими відповідно до кривої сорбції, наявної для розглянутого будівельного матеріалу. Проведено аналіз особливостей реалізації розробленої моделі в середовищі програми ANSYS-FLUENT, а також порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними при зволоженні газобетону. Presented CFD-model considers coupled vapor and moisture transfer processes in porous building materials. In contrast to the existing models, it takes into account the ratio between vapor and moisture components in accordance with the building materials’ sorption curve. The specific analysis of the model development in ANSYSFLUENT is presented and the results are compared with experimental data of the gas concrete humidification. 2015 Article CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах / П.Г. Круковский, А.С. Полубинский, О.Ю. Тадля, В.Н. Коваленко // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 32-43. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.1.2015.05 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142155 532.546:536.24:004.942 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Круковский, П.Г. Полубинский, А.С. Тадля, О.Ю. Коваленко, В.Н. CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах Промышленная теплотехника
description	Рассмотрена CFD-модель, учитывающая процессы сопряжённого переноса пара и влаги, поступающие в пористые строительные материалы из влажного воздуха. В отличие от существующих, рассмотренная модель учитывает сопряженный паро- и влагоперенос, а также соотношение между паровой и влажностной составляющими в соответствии с кривой сорбции, имеющейся для рассматриваемого строительного материала. Проведен анализ особенностей реализации разработанной модели в среде программы ANSYS-FLUENT и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными при увлажнении газобетона.
format	Article
author	Круковский, П.Г. Полубинский, А.С. Тадля, О.Ю. Коваленко, В.Н.
author_facet	Круковский, П.Г. Полубинский, А.С. Тадля, О.Ю. Коваленко, В.Н.
author_sort	Круковский, П.Г.
title	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах
title_short	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах
title_full	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах
title_fullStr	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах
title_full_unstemmed	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах
title_sort	cfd-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142155
citation_txt	CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах / П.Г. Круковский, А.С. Полубинский, О.Ю. Тадля, В.Н. Коваленко // Промышленная теплотехника. — 2015. — Т. 37, № 1. — С. 32-43. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT krukovskijpg cfdmodelirovaniesoprâžennogoparoivlagoperenosavporistyhstroitelʹnyhmaterialah AT polubinskijas cfdmodelirovaniesoprâžennogoparoivlagoperenosavporistyhstroitelʹnyhmaterialah AT tadlâoû cfdmodelirovaniesoprâžennogoparoivlagoperenosavporistyhstroitelʹnyhmaterialah AT kovalenkovn cfdmodelirovaniesoprâžennogoparoivlagoperenosavporistyhstroitelʹnyhmaterialah
first_indexed	2025-07-10T14:17:42Z
last_indexed	2025-07-10T14:17:42Z
_version_	1837269849155305472
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №132 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рассмотрена CFD-модель, учи- тывающая процессы сопряжённого переноса пара и влаги, поступаю- щие в пористые строительные ма- териалы из влажного воздуха. В от- личие от существующих, рассмот- ренная модель учитывает сопряжен- ный паро- и влагоперенос, а также соотношение между паровой и влаж- ностной составляющими в соответ- ствии с кривой сорбции, имеющейся для рассматриваемого строитель- ного материала. Проведен анализ особенностей реализации разрабо- танной модели в среде программы ANSYS-FLUENT и сравнение ре- зультатов расчетов с эксперимен- тальными данными при увлажне- нии газобетона. Розглянуто CFD-модель, що враховує процеси переносу пари та вологи, що надходять в пористі будівельні матеріали з вологого по- вітря. На відміну від існуючих, розглянута модель, яка враховує спряжений паро- та вологопере- нос, а також співвідношення між паровою та вологістною складови- ми відповідно до кривої сорбції, наявної для розглянутого будівель- ного матеріалу. Проведено аналіз особливостей реалізації розробле- ної моделі в середовищі програ- ми ANSYS-FLUENT, а також по- рівняння результатів розрахунків з експериментальними даними при зволоженні газобетону. Presented CFD-model considers coupled vapor and moisture transfer processes in porous building materials. In contrast to the existing models, it takes into account the ratio between vapor and moisture components in accordance with the building materials’ sorption curve. The specific analysis of the model development in ANSYS- FLUENT is presented and the results are compared with experimental data of the gas concrete humidification. Библ. 12, табл. 1, рис. 5. Ключевые слова: пористые строительные материалы, паро- и влагоперенос, кривая сорбции, CFD- моделирование. УДК 532.546:536.24:004.942 CFD-МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО ПАРО- И ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОРИСТЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ Круковский П.Г., докт. техн. наук, Полубинский А.С., канд. физ-мат. наук, Тадля О.Ю., канд. техн. наук, Коваленко В.Н., канд. техн. наук Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, 03680, Украина В течение последних десятилетий проек- тируются и строятся здания высокой энергоэф- a – соотношение между влагосодержанием и аб- солютной влажностью согласно кривой сорбции для данного материала; B – барометрическое давление, 101325 Па; D – коэффициент диффузии пара в воздухе, м2/с; Dw – влагопроницаемость (агрегатное состояние – вода) в материале, кг/(м∙с∙%); d – содержание влаги в каждой ячейке, кг/кг; H – энтальпия, кДж/кг; hv – теплота парообразования, 2,5∙106 Дж/кг; k – степень интенсивности поглощения (либо вы- деления) влаги из пара паровоздушной смеси; m – концентрация (доля паров воды во влажном воздухе), кг/кг; P – парциальное давление, Па; Рнас – давление насыщения, Па; w – влагосодержание в материале, кг/кг; x – координата, м; β – коэффициент массоотдачи, кг/(м2∙с∙Па); δ – паропроницаемость (агрегатное состояние – пар) материала, кг/(м∙с∙Па); λw – теплопроводность влажного материала, Вт/(м∙С); τ – время, с. Нижние индексы: v – параметр относится к пару; w – параметр относится к влаге; Dry – свойство, относящееся к сухому материалу; нар – параметр относится к области снаружи га- зобетона; пов – параметр относится к границе. фективности. Эти здания должны проектиро- ваться без ущерба для комфорта, находящих- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 33 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ терной техники, разработанные инженерные зависимости стали широко применяться в про- граммах различного уровня сложности, крат- кое сравнение возможностей которых приведе- но в [4]. Обычно эти программы рассчитывают средние температуры и относительные влаж- ности в помещении и большинство из них не учитывают перенос массы пара на границе между воздухом и ограждающей конструкцией здания. Поскольку использование средней темпера- туры воздуха для различных потребностей рас- четов теплового состояния помещения было недостаточно, стали развиваться методы CFD- моделирования. Эти модели наиболее полно описывают процессы тепло- и влагообмена, происходящие в помещении и стенах. Однако на текущий момент есть технические слож- ности в реализации полного сопряженного теп- ло- и влагообмена для помещения [5]. Про- блема в данном случае связана еще и с тем, что для полного сопряженного теплообмена с учетом радиационной составляющей огражда- ющие конструкции помещения должны пред- ставлять собой твердые стены (в программе ANSYS-FLUENT необходимо задавать опцию «wall»). Однако, в таком случае невозможно передавать поток массы через стены (перенос пара, влаги, воздуха в окружающую среду или из нее). Для того, чтобы решить эту проблему пользователи CFD-программ вынуждены пи- сать специальные подпрограммы, которые но- сят название «user define function» или же «user define scalar». Поскольку решение полностью сопряжен- ной нестационарной задачи тепломассобмена в помещении с ограждениями было сложной за- дачей, некоторые исследователи пошли по пути соединения CFD-модели помещения и упро- щенной влажностной модели в сосредоточен- ных параметрах ограждения [6]. Однако, такой подход не позволяет решать задачу движения и накопления влаги в конструкции. Как один из вариантов решения проблемы, существует подход по представлению стены как неподвиж- ной жидкости с соответствующими свойства- ми материалов. Этот подход использован в [7]. В этой модели решалась стационарная задача и не учитывался радиационный теплообмен ся в них людей. Два ключевых параметра: тем- пература и относительная влажность воздуха, играют важную роль в определении условий в помещениях и зданиях. В то время как влия- ние температуры хорошо известно и изучено, влияние влажности не всегда принимается во внимание. Необходимо учитывать изменение влажностного режима, как в самом помещении, так и внутри ограждения для того, чтобы не до- пускать конденсации влаги на внутренней по- верхности наружных ограждений и/или вну- три их, поскольку повышенная или понижен- ная влажность в помещении может сделать не- комфортной жизнь жителей, а также вызывать серьезные проблемы со здоровьем у жителей из-за наличия плесени и грибка. Теплозащитные свойства ограждающих кон- струкций существенно зависят от влажност- ного состояния материалов, повышение кото- рой приводит к снижению их теплозащитных качеств (за счет увеличения теплопроводности ограждающих конструкций), увеличению теп- лопотерь и снижает их долговечность. Анализ и прогнозирование влажности ог- раждающих конструкций можно осуществлять с помощью моделирования сопряженного паро- и влагопереноса между помещением и этими конструкциями. Для этого модели должны учи- тывать раздельно составляющие в виде пара (в помещении и ограждающей конструкции) и вла- ги (в ограждающей конструкции). Существуют различные методы моделиро- вания влажностных задач. Упрощенные инже- нерные методики используются для оценочных расчетов количества влаги, которое может на- копиться в ограждающей конструкции, мест возможного возникновения конденсата на по- верхности или внутри конструкции (т.н. «точки росы») [1-3]. Они имеют следующие основные недостатки – использование стационарного те- плового режима, как помещения, так и окру- жающей среды, а также постоянных значений коэффициентов материалов (паропроницаемос- ти, влагопроницаемости и т.п.). Эти упроще- ния не позволяют получать реальную картину текущего тепловлажностного состояния в ог- раждающей конструкции. С появлением производительной компью- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №134 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ между поверхностями ограждений помещения, и не было сравнения с данными натурного эксперимента. В процессе паро- и влагопереноса через ограждения участвуют три вида веществ: воз- дух, пар и жидкость. При этом в ограждающей конструкции происходит диффузия водяного пара в движущейся паровоздушной смеси через поры материала ограждения, – филь- трация влажного воздуха из-за разницы влаж- ностей окружающей среды и внутреннего воз- духа, а также возникновение и перемещение влаги в виде адсорбируемой жидкости, приво- дящей к изменению влагосодержания матери- ала ограждения. Эти процессы не действуют раздельно, а оказывают друг на друга взаим- ное влияние. Увеличение влагосодержания ма- териала ограждения ведет за собой умень- шение относительной влажности паровоздуш- ной смеси, которая отдает часть влаги мате- риалу ограждения. Увеличение влажности ма- териала ограждения называется сорбцией, сни- жение влажности материала называется де- сорбцией материала. Зависимость между коли- чеством влаги в материале и влажностью воз- духа, находящегося в виде паровоздушной сме- си в материале, называют изотермой сорбции. Изотермы определяются экспериментальным путем для каждого материала при комнатной температуре. Для прогнозирования изменения влажност- ного состояния ограждающих конструкций в помещении необходимы кривые сорбции мате- риалов конструкции и эмпирические коэффи- циенты их паро- и влагопроницаемости. Одна- ко, приведенные в литературе для каждого ма- териала параметры, не могут широко использо- ваться, поскольку определяются эксперимен- тальным путем для конкретных условий и ограниченных значений различных параметров (температура, влагосодержание, пористость ма- териала и относительная влажность). Это же ка- сается коэффициента массоотдачи между влаж- ным воздухом и конструкций β, численное зна- чение которого определяется в зависимости от коэффициента конвективной теплоотдачи, зна- чения не всегда точно известного. Также воз- никает необходимость в проведении долговре- менных расчетов, которые позволяют расчет- ным путем определить время и степень насы- щения влагой материалов конструкции. Проведенный литературный поиск [4] по- казал отсутствие среди существующих моде- лей, учитывающих отдельно паровую и влаж- ностную составляющие. Также нет данных о проверке получаемых результатов на удовлет- ворение соотношения пара в воздухе и влаги в исследуемом материале в стационарном ре- жиме. Поэтому разработка модели, учитываю- щей сопряженный паро- и влагоперенос между воздушной средой и строительной конструк- цией помещения с учетом пара и влаги от- дельно является актуальной задачей, решаемой ниже авторами. Ставится задача разработать модель, которая будет удовлетворять следующим требованиям: 1. модель тепловлагопереноса должна удовлет- ворять соотношению влаги в материале ограж- дающих конструкций и пара согласно кривой сорбции для этого материала при долговре- менном расчете; 2. модель должна описывать нестационарное распределение пара и влаги (отдельно) в объеме строительного материала; 3. модель должна учитывать переход пара из объема помещения в ограждающую конструк- цию и его переход во влагу и наоборот в самой ограждающей конструкции; 4. модель должна быть сопоставлена с имею- щимися экспериментальными данными. 5. модель должна выполнять расчеты тепло- паро- и влагопереноса в материале в широко используемых компьютерных CFD-программах, например, ANSYS-FLUENT. Будем различать стационарный равновес- ный процесс переноса пара и влаги и нестаци- онарный неравновесный процесс в материале. Первый определяется кривой сорбции, в то время как во втором соотношение пара и влаги может быть не равным соотношению по кри- вой сорбции. Коэффициент паропроницаемости пред- ставляет собой количественную величину по- тока пара, проходящего через материал толщи- ной 1 м за единицу времени при единичной разнице парциальных давлений. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 35 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Коэффициент влагопроницаемости харак- теризует количество влаги за единицу времени через единицу длины при определенных усло- виях влажности на поверхностях. Два вышеприведенных коэффициента опре- деляются в стационарных тепловых и влаж- ностных условиях на образцах материалах и на наш взгляд не могут служить характеристи- ками нестационарного процесса увлажнения или осушения материала. Введем коэффициент k, который характеризует интенсивность по- глощения (выделения) влаги из (в) паровоздуш- ную смесь в нестационарных условиях. Целью работы является разработать и ве- рифицировать CFD-модель, учитывающую про- цессы сопряженного переноса пара и влаги в пористых строительных материалах, и отвечаю- щую всем вышеперечисленным требованиям. Рассмотрим процессы переноса влаги и пара в пористых строительных материалах на примере увлажнения образца газобетона раз- мером 50×50×100 мм [10]. Созданная модель тестировалась (согласно требованиям п.5.) по результатам экспериментальных исследований влагосодержания по высоте блока газобетона, приведенным в [10]. В экспериментальной ус- тановке предварительно высушенные образцы помещались в изолированные камеры, где сни- зу поддерживались постоянные температурные и влажностные условия (70 ºС и 100 %), а сверху – 70 ºС и 0 %. Замеры влажности в бло- ке проводились в различные моменты времени в шести местах по высоте блока. Физическая модель процессов, происходя- щих в исследуемом образце следующая. Мо- лекулы пара и влаги из воздуха нижней каме- ры абсорбируются нижней поверхностью сухо- го блока (поверхностная сорбция). По условиям эксперимента в нижней камере постоянно при- сутствуют пар и влага, которые являются ис- точником при увлажнении газобетона. Далее по высоте блока пар и влага в паровоздушной сме- си перемещаются вверх по порам и капилля- рам. Движения самой паровоздушной смеси в образце не учитывается. По пути паровоздуш- ная смесь осушается (уменьшается количество пара) за счет того, что она отдает материалу блока часть в виде влаги. Некоторая часть вла- ги также конденсируется на поверхности пор, превращаясь в капли воды. При наличии оп- ределенных условий сконденсированная вла- га и влага в материале может возвращаться об- ратно из материала в паровоздушную смесь. Максимальное содержание влаги в материале газобетона ограничивается значением его сорб- ционной влажности. Дальнейшее накопление влаги в области, где достигнуто максимальное влагосодержание, не происходит. В этом слу- чае, увеличивается влагосодержание рядом рас- положенных областей. Поскольку в пористых материалах ограж- дений влага может перемещаться в парооб- разной и/или жидкой фазе из-за различных дви- жущих сил, то большинство ученых принимает два или более потенциалов для переноса вла- ги (парциальное давление и влагосодержание). Рассмотрим ряд моделей. Модель 1. Математическая модель процес- сов тепло-, паро- и влагопереноса согласно [8] в ограждающей конструкции описывается дву- мя уравнениями. - Уравнением паро- и влагопереноса в мате- риале ограждающей конструкции , (1) где первое слагаемое в правой части отвечает за транспорт воды в материале, второе – за транс- порт пара в материале, а левая часть это количе- ство влаги, которая накапливается в материале. - Уравнением энергии для всей области ре- шения , (2) где первое слагаемое в правой части отвечает за передачу теплоты во влажном материале, вто- рое – за влияние теплоты парообразования/кон- денсации на тепловой режим ограждения. В явном виде соотношение между паром и влагой согласно кривой сорбции в данной моде- ли не учитывается. Это не позволяет остановить процесс накопления влаги материалом, т.к. отсут- ствует величина максимального влагосодержа- ния известная из изотермы сорбции. Поскольку ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №136 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ в модели нет отдельно паровой и влажностной составляющей, решение сопряженной задачи с воздухом невозможно. Также стоит обратить внимание на то, что входящие в уравнение коэффициенты Dw и δ на- ходятся экспериментально в стационарных рав- новесных условиях и для условий нестацио- нарных расчетов, строго говоря, применяться не могут. Следовательно, их необходимо иден- тифицировать по результатам имеющихся эк- спериментов. Добавим к системе из двух предыдущих уравнений третье, отвечающее за диффузию пара в паровоздушной смеси (воздухе). Это по- зволит решать задачу тепло- и влагопереноса как в самом ограждении, так и в паровоздуш- ной среде внутреннего объема помещения. . (3) Парциальное давление в формуле (1) опре- деляется , (4) где d = m/(1 – m) – концентрация влаги в рассмат- риваемом объеме. Под коэффициентом D поднимается коэф- фициент диффузии пара в паровоздушной среде в порах газобетона и численно он не равен ко- эффициенту диффузии пара в воздухе. Система уравнений (1) – (2) широко распространена и используется [6, 8, 9] для определения общего количества пара и влаги в материале без разли- чия этих двух компонентов. Рассматривая влагу, как часть паровоздуш- ной смеси, которая проникает внутрь пористого строительного материала, авторы подразумевают под относительной влажностью содержание па- ра и влаги в смеси, а под влагосодержанием – количество только влаги в материале. Модель 2. Авторами предлагается модели- рование перехода части пара во влагу через не- кий коэффициент k, который говорит о том, что при m > w из свободной паровоздушной смеси часть влаги поглощается пористым материалом, и наоборот, при w > m влага возвращается в смесь из материала. Назовем k коэффициентом интен- сивности поглощения (выделения) влаги из (в) паровоздушной смеси. В модели должен соблю- даться баланс между коэффициентом k и Dw. Если коэффициент k имеет небольшое значе- ние, это означает, что в модели имеется неболь- шое количество влаги, за транспорт которого отвечает Dw. Т.о., мы заменяем слагаемое со вто- рой производной по парциальному давлению в уравнении (1) слагаемым с коэффициентом k, численно определяющим количество влаги из смеси переходящее в пористый материал. Тогда уравнение (1) можно записать в виде , (5) где – слагаемое, отвеча- ющее за количество пара, переходящее во влагу или наоборот (условно назовем его источник), в котором: k·(a·m – (w + m)) – степень поглощения/накопле- ния влаги, а – сомножитель, отвечающий за транспорт пара. Коэффициент a = (w + m)/m в (5) отвечает за соотношение влаги и пара в материале сог- ласно кривой сорбции, как в стационарном, так и нестационарном режимах. Когда w + m = am, тогда поглощения/накопления влаги нет. При этом транспорт пара есть, если ∂2P/∂x2 ≠ 0. На- копление может быть в соседних ячейках, где w + m ≠ am. Интенсивность транспорта пара, оп- ределяемого величиной ∂2P/∂x2 и интенсивность насыщения пара k·(a·m – (w + m)) могут незави- симо приводить к обнулению источника. Мак- симальное значение w + m в любой точке в ста- ционарном режиме (для бесконечного момента времени) должно соответствовать кривой сорб- ции при своем значении m. Если m > w, то тогда второе слагаемое будет иметь отрицательное зна- чение и будет происходить возврат влаги в пар. Тогда в уравнении (3) необходимо отнять некоторое количество влаги, которое образуется из пара паровоздушной смеси. , (6) , ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 37 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ где первое слагаемое в правой части отвечает за диффузию пара в паровоздушной смеси, вто- рое – за количество влаги, которая удаляется из паровоздушной смеси. В обеих моделях учиты- вается зависимость коэффициента теплопрово- дности влажного материала от влагосодержания λ(w) = λDry + λw·w. (7) Изотермы сорбции материалов определяют- ся обычно при комнатной температуре весовым методом согласно [11] по нескольким экспери- ментальным измерениям (для газобетона см. рис. 1, а). Полученное в эксперименте путем взвешивания массовое влагосодержание по изо- терме сорбции является суммой количества вла- ги и пара, которые находятся в образце, в то вре- мя как в разработанной модели эти две состав- ляющие разделены. Поскольку в литературе не нашлось данных о том, как ведет себя кривая сорбции для газобетона при температуре 70 ºС, авторы статьи попытались самостоятельно оце- нить, как изменится кривая сорбции с повыше- нием температуры. В расчетах кривую сорбции для 20 ºС нельзя использовать, т.к. абсолютная влажность, экви- валентная 100 % относительной при темпера- туре 20 ºС, равна 14 г/кг, в то время как при 70 ºС эта же величина равна уже 210 г/кг. Оце- нив по [9,10] приведенные результаты сорбци- онного увлажнения при 20 и 70 ºС авторы уста- новили, что при значении времени 168 ч (мак- симальное значение времени для эксперимента с температурой 70 ºС) соотношение влагосо- держаний при 70 и 20 ºС в блоке газобетона рав- но 3,5. Заметим также, что угол наклона экспе- риментально определенной кривой сорбции при 20 ºС повторяет угол наклона кривой составля- ющей пара в смеси. Учитывая эти особенности: соотношение между влагосодержаниями при различных температурах и повтор угла наклона, авторы в своих расчетах используют кривую сорбции при 70 ºС, как на рис. 1, б. Авторы за- ранее признают неточность такой кривой сорб- ции, которая нуждается в дополнительной про- верке. Представляет интерес определение точек кривой сорбции с помощью идентификации па- раметров модели. Разработанная модель 2 в ста- ционарном расчете удовлетворяет требованиям соотношения кривой сорбции, а модель 1 – нет. Компьютерная модель образца газобетона выполнена в программе ANSYS-FLUENT. В табл. 1 приведены варианты решенных задач для сравнительного анализа особеннос- тей моделей и значений их параметров, а также табличное значение коэффициента паропрони- цаемости для газобетона, приведенное в [1]. Зна- чения коэффициентов, приведенные в таблице 1, идентифицировались по результатам экспери- ментальных исследований. Результаты, приведенные на рис. 2 показы- вают, что разработанная модель с достаточной точностью описывает процесс увлажнения бло- ка пористого газобетона и может быть исполь- зована для моделирования теплового и влаж- ностного состояния многослойных ограждаю- а б Рис. 1. Изотерма сорбции газобетона при температуре 20 (а) и 70 (б) ºС. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №138 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ щих конструкций помещения. Приведенное вла- госодержание на оси х (рис. 2) есть сумма по массе паровой и влажностной составляющих, поскольку в эксперименте влагосодержание оп- ределялось весовым методом и гамма просве- чиванием, при котором нельзя разделить общее влагосодержание на составляющие. Вариант 5 отличается от варианта 4 в табл. 1 учетом соп- ряженного массообмена между газобетоном и воздухом (без задания коэффициента массоот- дачи от поверхности газобетона). Резкий из- гиб кривых на высоте 30 мм для 72 и 168 часов можно объяснить наличием неплотностей между слоями образца по высоте, в которых могло со- держаться некоторое количество воздуха. Полученный результат был подтвержден моделированием блока газобетона в программе, описанной в [12], в модели которой идентифи- цировались коэффициенты паро- и влагопро- ницаемости в зависимости от относительной влажности и влагосодержания, соответственно. Граничные условия на границах задавались с помощью постоянного коэффициента массоот- дачи, что объясняет наибольшее расхождение Табл. 1. Таблица вариантов решенных задач Вар Модель Учет последнего слагаемого в уравнении (6) Коэффициент паропроницаемости δ, кг/(м·сек·Па) Коэффициент интенсивности поглощения (выделения) влаги k Табличные данные Нет 4.7·10-11 - 1 1 Нет 5·10-14 - 2 1 Да 1.5·10-14 - 3 2 Нет - 2·10-14 4 2 Да - 3.5·10-15 5 2 Да - 4·10-14 Рис. 2. Массовое влагосодержание по высоте образца газобетона в различные моменты времени. Тонкие линии – результаты экспериментальных исследований [10]; сплошные – результаты расчетов, полученные с помощью программы ANSYS-FLUENT в сопряженной постановке; прерывистые линии – в несопряженной постановке. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 39 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ результатов на нижней и верхней границе газо- бетона. Проведенные исследования позволили оп- ределить коэффициент массоотдачи, который ли- нейно зависит от разницы концентраций на ниж- ней границе газобетона и среды в нижней ка- мере (рис. 3), а его величина может значитель- но отличаться от рекомендуемого в литературе значения β = 1·10-8 кг/м2·с·Па. Сопряженная по- становка позволяет в данной изотермической за- даче получить значения коэффициента массоот- дачи, которые нельзя оценить в несопряженной постановке из-за отсутствия теплообмена и зна- чения коэффициента конвективной теплоотдачи. На рис. 4 показано соотношение паровой m и влажностной w составляющих по высоте газобетона. Во всех вариантах на нижней гра- нице количество пара больше, чем влаги, по- скольку в образец газобетона поступает толь- ко пар, часть которого может превратиться во Рис. 3. Зависимость коэффициента массоотдачи от разницы концентраций влаги в нижней камере и на поверхности образца. а б Рис. 4. Зависимость влагосодержания и абсолютной влажности по высоте образца газобетона в различные моменты времени. А – вариант 3, б – вариант 5 из табл. 1. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №140 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ влагу. Далее по высоте газобетона в варианте 3 количество пара больше, чем количество влаги, поскольку согласно уравнению (3) диф- фузии пара в паровоздушной смеси не уда- ляется часть пара, которая переходит во влагу. В варианте 5 в верхней части блока газобето- на наблюдается превышение влаги над паром, поскольку насыщенная паровоздушная смесь доходит до верха образца сильно осушенной, в то время как газобетон накапливает влагу, отобранную у паровоздушной смеси, что яв- ляется более физичным. Проведенные расчеты показали, что в не- стационарном режиме и при своих подобран- ных значениях коэффициентов k и δ сумма па- ровой и влажностной составляющих для всех вариантов 1-5 (табл. 1) совпадают друг с дру- гом с достаточной точностью. Результаты мо- делирования длительного по времени про- цесса увлажнения газобетона, выполненные в сопряженной постановке в программе ANSYS- FLUENT, приведены на рис. 5. Предлагаемая авторами модификация мо- дели более физично описывает реальные про- цессы паро- и влагопереноса в строительном материале (в данном случае образце газобе- тона). Присутствующий пар в паровоздушной смеси может частично, как превращаться во влагу в строительном материале, так и оста- ваться в паровой фазе. Влага из газобетона может возвращаться в паровое состояние при наличии соответствующих условий. Т.о., в модели присутствуют и могут быть проана- лизированы отдельные составляющие: влага в газобетоне и пар в паровоздушной смеси в га- зобетоне в процессе увлажнения материала. Модель 1 (уравнения (1) – (3)) использо- вать в равновесном стационарном режиме нежелательно, поскольку в ней отсутствуют предпосылки для ограничения накопления влаги в материале и выход на соотношение паровой и влажностной составляющей со- гласно кривой сорбции. Модель 1 также нуж- дается в идентификации параметров δ и Dw по имеющимся экспериментальным данным. Для решения этой проблемы в программе [12] модифицируют и решают модель 1 относитель- но относительной влажности, т.е. получают Рис. 5. Зависимость массового влагосодержания по высоте блока газобетона при длительном по времени увлажнении. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 41 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ возможность использования данных о кривой сорбции материала (в виде ∂w/∂φ). В таком случае модель 1 выходит на значения макси- мального влагосодержания отвечающего кри- вой сорбции. Но модель [12] не дает возмож- ности решать сопряженную задачу, т.к. влага и пар в ней не разделяются. А для сопряжен- ной задачи необходимо знать какое количес- тво пара присутствует в воздухе помещения и в паровоздушной смеси ограждения, и ка- кая его часть переходит во влагу. Разработан- ная авторами модель в любой момент выпол- няет соотношение между относительной влаж- ностью и влагосодержанием в газобетоне со- гласно кривой сорбции. В нестационарном режиме обе модели 1 и 2 дают близкие ре- зультаты по распространению влаги в образ- це газобетона при значениях параметров δ и k, идентифицированных для каждой из моделей. Специально разработанная в программной среде ANSYS-FLUENT функция, обеспечива- ющая решение сопряженной задачи паро- и влагопереноса, позволит также решать мно- гомерные сопряженные задачи. Это особенно важно, т.к. накопление влаги и «точка росы» может наблюдаться в углах помещения и на стыках разных элементов конструкций и не на- блюдаться на линейных элементах ограждаю- щих конструкций. Разработанная модель может быть исполь- зована в качестве вычислительного «стенда» для проведения вычислений с изменением любых параметров модели. Если ввести за- висимость коэффициента a в формуле (5) от температуры A f(w,m,t) и Dw = f(t), модель поз- волит получать распределение пара и влаги для различных температур и их перепадов, как это имеет место в реальных процессах. Для практического применения иногда бы- вает важно рассчитывать и стационарный и квазистационарный режимы, где предложен- ная авторами модель подходит лучше. Также модель может позволить идентифицировать точки кривой сорбции материалов, что поз- волить использовать ее с большей точностью. Дальнейшие работы в данной области бу- дут посвящены верификации сопряженной мо- дели тепло-, паро- и влагопереноса много- слойной ограждающей конструкции натурно- го экспериментального дома. Выводы 1. Рассмотрена CFD- модель, учитываю- щая процессы сопряженного переноса пара и влаги, поступающего в пористые строитель- ные материалы. В отличие от существующих, рассмотренная модель учитывает соотноше- ние между паровой и влажностной составля- ющими в соответствии с кривой сорбции, имеющейся для рассматриваемого строитель- ного материала. 2. Приведен анализ особенностей реали- зации рассмотренной модели в среде програм- мы ANSYS-FLUENT. 3. Приведено сравнение результатов рас- четов с экспериментальными данными при ув- лажнении газобетона. Анализ поведения кри- вых влаго- и паросодержания показал, что предлагаемая авторами модель более физично описывает процесс увлажнения газобетона. Авторы статьи выражают свою благо- дарность д.т.н. Низовцеву М.И. из Институ- та теплофизики им. С.С. Кутателадзе (Но- восибирск) за консультации по вопросам экс- периментальных исследований газобетона и полезные советы по работе. ЛИТЕРАТУРА 1. Фокин К.Ф. Строительная теплотехни- ка ограждающих частей здания – М.: АВОК- ПРЕСС, 2006. – 256 с. 2. Богословский В.Н. Строительная тепло- физика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) – М:. Высшая школа, 1982. – 415 с. 3. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. – М: Стройиздат, 1984. – 168 с. 4. Woloszyn M., Rode C. Tools for Perfor- mance Simulation of Heat, Air and Moisture Conditions of Whole Buildings // Building Simu- lation. – 2008. – Vol.1. – C. 5 – 24. 5. ANSYS FLUENT. Theory Guide. Realise 14.0. – 2011. – 862 c. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №142 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 6. Steeman H.J., Janssens A., De Paepe M. Coupling moisture transport in air flows and porous materials using CFD // Proceedings of the 8th Symposium on Building Physics in the Nordic Countries, June 16 – 18. – Copenhagen, Denmark. – 2008. – Р. 715 – 722. 7. Mortensen L.H., Woloszyn M., Rode C., Peuhkuri R. Investigation of Microclimate by CFD Modeling of Moisture Interactions between Air and Constructions // Journal of Building Physics. – 2007. – Vol. 30. – P. 279 – 315. 8. Künzel H.M. Simultaneous Heat and Mois- ture Transfer in Building Components: One- and Two dimensional calculation using simple parameters // Ph.D. Thesis, University of Stut- tgart, Germany. – 1995. – 65 p. 9. Низовцев М.И., Стерлягов А.Н., Терехов В.И. Верификация модели расчета сопряжен- ного тепло- и влагопереноса при увлажнении газобетона // Известия ВУЗов. Строительство. – 2008. – №1 (589). – С. 105 – 110. 10. Низовцев М.И., Стерлягов А.Н., Терехов В.И. Влияние градиента температуры на вла- гоперенос в пористых материалах // Ползу- новский вестник. – 2012. – № 3/1. – C. 17 – 21. 11. ГОСТ 24816-81 Метод определения сорб- ционной влажности // М.: Издательство стан- дартов. – 1988. – 20 с. 12. Crawley D.B. Lawrie L.K., Winkelmann F.C., Buhl W.F., Huang Y.J., Pedersen C.O., Strand R.K., Liesen R.J., Fisher D.E., Witte M.J., Glazer J. EnergyPlus: creating a new-generation buil- ding energy simulation program // Energy and Building. – 2001. – Vol 33. – P. 319 – 331. CFD-SIMULATION OF COUPLED VAPOR AND MOISTURE TRANSFER IN POROUS BUILDING MATERIALS Krukovsky P.G., Polubinskiy A.S., Tadlia O.Y., Kovalenko V.N. Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, vul. Zhelyabova, 2a, Kyiv-57, 03057, Ukraine CFD-model is considered which takes into account the coupled transport processes sepa- rately vapor and moisture received in porous building materials. The implementation of the developed model in ANSYS-FLUENT is ana- lyzed. Model modification proposed by the authors more physically describes the actual processes of the heat and moisture transfer in the construction material (in this case - gas con- crete) and the environment. Vapor in a vapor-air mixture may be partially converted into moisture in the building material or remain there in the vapor phase. Moisture from gas concrete can be returned to the vapor state in the appropriate conditions. Therefore, separate components are presented in the model and can be analyzed: moisture in the gas concrete and vapor in the vapor-air mixture in the gas concrete during humidification material. The created model may be used as computational "sample" for calcula- tions with a change of any model parameters. It is shown a sufficient agreement between the simulation results and experimental data on wetting gas concrete. References 12, table 1, figures 5. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 37, №1 43 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Key words: porous building materials, vapor and moisture transfer, sorption curve, CFD-modeling 1. Fokin K.F. Construction thermotechnics of the building envelope parts. // M. AVOK PRESS, 2006. – 256 p. 2. Bogoslovskiy V.N. Building thermal physics (thermal fundamentals of heating, ventilation and air conditioning) – M:. Vischaya shkola, 1982. – 415 p. 3. Manual of analysis moisture regime of building envelopes. – M: Stroyizdat, 1984. – 168 p. 4. Woloszyn M., Rode C. Tools for Perfor- mance Simulation of Heat, Air and Moisture Conditions of Whole Buildings // Building Si- mulation. – 2008. – Vol.1. – P. 5 – 24. 5. ANSYS FLUENT. Theory Guide. Realise 14.0. – 2011. – 862 p. 6. Steeman H.J., Janssens A., De Paepe M. Coupling moisture transport in air flows and porous materials using CFD // Proceedings of the 8th Symposium on Building Physics in the Nordic Countries, June 16 – 18. – Copenhagen, Denmark.– 2008. – Р. 715 – 722. 7. Mortensen L. H., Woloszyn M., Rode C., Peuhkuri R. Investigation of Microclimate by CFD Modeling of Moisture Interactions between Air and Constructions // Journal of Building Physics. – 2007. – Vol. 30. – P. 279 – 315. 8. Künzel H.M. Simultaneous Heat and Moisture Transfer in Building Components: One- and Two dimensional calculation using simple parameters // Ph.D. Thesis, University of Stut- tgart, Germany. – 1995. – 65 p. 9. Nizovtsev M.I., Sterlyagov A.N., Terekhov V.I. Verification of the model calculation of coupled heat and moisture on the gas concrete humidifi- cation // Izvestia vuzov. Stroitelstvo. – 2008. – № 1 (589). – P. 105 – 110. 10. Nizovtsev M.I., Sterlyagov A.N., Terekhov V.I. Effect of temperature gradient on moisture transfer in porous materials // Polzunovskiy vestnik. – 2012. – № 3/1. – P.17 – 21. 11. GOST 24816-81 Method of determining moisture sorption // Moscow: Izdatelstvo stan- dartov. – 1988. – 20 p. 12. Crawley D.B. Lawrie L.K., Winkelmann F.C., Buhl W.F., Huang Y.J., Pedersen C.O., Strand R.K., Liesen R.J., Fisher D.E., Witte M.J., Glazer J. EnergyPlus: creating a new-generation buil- ding energy simulation program // Energy and Building. – 2001. – Vol 33. – Р. 319 –331. Получено 20.11.2014 Received 20.11.2014

CFD-моделирование сопряженного паро- и влагопереноса в пористых строительных материалах

Репозитарії

Схожі ресурси