□□ 竇睿智 (吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

引言

真空玻璃的傳熱過程非常復(fù)雜，特別是功能性真空玻璃的傳熱過程中，包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射的耦合作用，沒有精確的數(shù)學(xué)模型很難對真空玻璃的傳熱機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷和分析。保溫隔熱性能是真空玻璃最重要性能之一，而傳熱系數(shù)很難在線測量，而且它會隨著時間的推移而增加，從而降低隔熱性能。因此，對使用中的真空玻璃進(jìn)行快速準(zhǔn)確地測量是困難的[1-2]。此試驗旨在尋找一種有效方法來模擬真空玻璃的熱傳遞情況。試驗擬采用圓形加熱板加熱真空玻璃表面，探究其四周擋板的熱量損失，非常具有應(yīng)用意義[3]。為此，基于先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，通過ANSYS軟件穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模塊對傳熱過程進(jìn)行分析，并將仿真結(jié)果用于指導(dǎo)和分析非穩(wěn)態(tài)測試方法。

1 試驗方法及過程

在ANSYS中仿真模擬主要步驟為：第一步是對模型的基本材料參數(shù)進(jìn)行賦值，通過對材料賦予不同的參數(shù)，模擬后的熱力學(xué)性能指標(biāo)也不盡相同；第二步是對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模處理，模型建立越精確，施加的邊界條件就越簡單，越符合應(yīng)用中的工作原理；第三步是劃分網(wǎng)格，ANSYS的工作原理是對模型中的每個單位進(jìn)行求解分析，需要對模型中的網(wǎng)格劃分恰當(dāng)，網(wǎng)格劃分稀疏影響數(shù)學(xué)模型的計算精度，過于密集會增加軟件的處理載荷；第四步是對模型施加邊界條件，通過還原模型在使用過程中遇到的環(huán)境狀況，可以得到真實有效的模型和試驗結(jié)果；第五步是輸出結(jié)果與分析，在ANSYS中建立輸出數(shù)學(xué)模型，求解出工作環(huán)境中的目標(biāo)研究結(jié)果。

在ANSYS穩(wěn)態(tài)靜力學(xué)模塊中，對真空玻璃進(jìn)行模擬與分析，通過對真空玻璃上表面施加100 ℃的熱源用來模擬應(yīng)用過程中的受熱情況，環(huán)境溫度設(shè)定為15 ℃，在此模擬過程中熱源溫度不作為具體的邊界條件，只是觀察以熱源為中心的熱力分布情況，通過觀察真空玻璃不同部位的傳熱情況，分析玻璃的傳熱是否合理，是否存在熱量流失較大的區(qū)域，并對通過后續(xù)的試驗不斷改進(jìn)與完善真空玻璃的保溫性能。

1.1 材料參數(shù)的確定

試驗采用3 mm厚的24 cm×35 cm鋼化玻璃，傳熱系數(shù)經(jīng)過測量為7.5×10-3W·m-2·K-1；四周封邊采用PVC塑料擋板，其傳熱系數(shù)測定為0.65 W·m-2·K-1；預(yù)應(yīng)力張拉鋼筋為Φ5.0 mm、1 860 MPa的高強(qiáng)度鋼絲，傳熱系數(shù)為45 W·m-2·K-1，并在ANSYS材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，試驗設(shè)備為美國TA儀器熱流計法導(dǎo)熱儀FOX 320。

1.2 ANSYS模型建立

首先，在DesignModeler中建立預(yù)測的玻璃模型，模型由兩塊尺寸為32 cm×3.5 cm×1 cm的鋼板和四根長為26 cm的高強(qiáng)度鋼絲和兩塊厚為3 mm的微曲面玻璃板組成，玻璃拱起高度為0.2 cm。在兩塊單向曲面玻璃中間放置一塊淺色的填充物替代玻璃空腔，使模型在分析過程中更加直觀地觀察玻璃內(nèi)部空間在周圍環(huán)境影響下產(chǎn)生的溫度變化。建立真空玻璃模型如圖1所示。

圖1 玻璃模型側(cè)面圖

1.3 ANSYS網(wǎng)格劃分

在ANSYS中，通過建立數(shù)學(xué)模型來對玻璃傳熱進(jìn)行計算分析，網(wǎng)格劃分是將模型劃分成大量的細(xì)小單元，嵌入到計算模型中進(jìn)行分析求解，在網(wǎng)格較為密集的情況下計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，計算量也隨之增大，但是網(wǎng)格劃分不能過于稀松，根據(jù)有限元的網(wǎng)格無關(guān)性要求，計算結(jié)果每一個梯度帶最少覆蓋兩個網(wǎng)格，因此，網(wǎng)格劃分對模擬分析的結(jié)果至關(guān)重要[4]。網(wǎng)格劃分精度不同對于模型每一部分計算單元的結(jié)果也不相同，將有限元模型以10 mm為單位劃分網(wǎng)格，將8 916.9 mm2分成34 734個單元進(jìn)行分析求解，劃分后的玻璃模型如圖2所示。

圖2 側(cè)面網(wǎng)格劃分圖

1.4 ANSYS邊界條件施加

如圖3所示，在玻璃的上表面施加熱源作為真空玻璃的散熱主體，并對四周的擋板添加熱對流系數(shù)，通過施加合適的邊界條件來模擬該模型在工作環(huán)境中的運(yùn)行狀況，在試驗中對玻璃上下表面與四周的擋板施加40 ℃的溫度環(huán)境，設(shè)定40 ℃主要是考慮在夏季輻射較強(qiáng)的情況下，由于曲面玻璃在太陽光的照射下在會匯聚較大的熱能，使得玻璃表面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。

圖3 玻璃的邊界條件

2 計算與分析

在穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模塊中，對模型施加溫度的求解方案，模擬并分析真空玻璃表面溫度分布情況、玻璃四周擋板的溫度分布情況、應(yīng)力鉚接鋼絲在真空玻璃中的傳熱情況，進(jìn)一步研究真空玻璃的保溫隔熱能力。

圖4為真空玻璃表面的傳熱情況，圖中整體紅色的區(qū)域僅代表模擬過程中施加的熱源面積，在宏觀圖中，玻璃表面的溫度逐漸傳遞到左右兩側(cè)擋板中。圖5為玻璃表面與擋板連接處的溫度分布圖，從圖中傳熱情況來看，熱源能量從玻璃上表面逐漸傳遞到玻璃的下表面，溫度梯度分布均勻，而在玻璃與擋板接觸點處溫度較低，并沒有產(chǎn)生大量的紅色區(qū)域，表示溫度已經(jīng)從玻璃傳遞到擋板處。

圖4 玻璃表面整體傳熱情況

圖5 玻璃端面?zhèn)鳠岱糯髨D

圖6為玻璃兩側(cè)與擋板連接處的剖面圖，圖中可以看出，其玻璃內(nèi)部空腔的熱傳遞情況，由于玻璃四周與擋板接觸的原因，逐漸增大。圖7為長邊擋板與玻璃腔室接觸面熱分布圖，玻璃截面與擋板直接接觸的部位傳熱情況最為明顯，在整個真空玻璃系統(tǒng)中屬于熱量損失較為嚴(yán)重的區(qū)域。

圖6 擋板剖面放大圖

圖7 模型長邊擋板與玻璃腔室接觸面熱分布圖

圖8為鉚接鋼絲與外界環(huán)境接觸時的傳熱情況，通過圖形放大顯示，鉚接鋼絲與外界傳遞熱量的較低。圖9為鉚接鋼絲穿入真空玻璃內(nèi)部時的傳熱情況，以鋼絲穿入部位為中心，溫度梯度出現(xiàn)均勻的放射狀，影響的區(qū)域大約為30 mm。

圖8 鉚接鋼絲熱傳遞分布圖

圖9 鉚接鋼絲與模型空腔間的熱力分布圖

圖10為玻璃空腔中距離鋼絲不同位置的傳熱情況，圖10(a)可以發(fā)現(xiàn)，距離鋼絲10 mm處，玻璃空腔產(chǎn)生溫度梯度的區(qū)域較為明顯，基本上占據(jù)空腔面積的70%；圖10(b)為距離鋼絲20 mm處，散熱面積較少，占據(jù)空腔截面積的5%左右；圖10(c)為距離鋼絲30 mm處，溫度梯度消失，說明在距離鋼絲30 mm處，鋼絲的傳熱不會影響真空玻璃內(nèi)部腔室的溫度變化。

圖10 距離鋼絲不同位置的溫度分布圖

3 結(jié)論

3.1 通過對玻璃上表面施加溫度，與環(huán)境溫度產(chǎn)生溫度差，從玻璃表面與擋板的傳熱情況來看，真空玻璃外部的傳熱由于玻璃四周與擋板接觸的原因，逐漸增大，而與擋板直接接觸的區(qū)域傳熱情況較為明顯，在整個真空玻璃系統(tǒng)中屬于熱量損失較為嚴(yán)重的區(qū)域。

3.2 預(yù)應(yīng)力鉚接鋼絲對玻璃空腔影響的區(qū)域溫度梯度出現(xiàn)均勻的放射狀，距離鋼絲10 mm處，影響較為明顯，影響10 mm處70%，距離20 mm處，影響面積為5%左右，其影響區(qū)域大約為30 mm。