一维多孔墙体热湿耦合传递问题研究

摘要

由于世界正面临着人口爆炸和能源危机,为了节省能源和空间,各种地下建筑迅速发展起来了,然而含湿量对土壤和建筑材料的导热系数影响很大,为准确确定地下建筑的能量消耗,保证建筑物的使用功能,须对土壤和围护结构中的热湿迁移现象进行研究,从而得到围护结构和土壤中的准确热湿迁移规律。建筑围护结构中湿分的堆积会导致围护结构传热性能降低、有机材料降解、金属腐蚀和建筑结构破坏等不良后果。此外,当周围环境的湿分过高时,其迁移会导致细菌滋生,从而降低室内空气品质,影响人的身体健康。因此,多孔介质中的热湿耦合传递问题已成为当今世界的一个热门课题。
　　 本文在Luikov热湿耦合传递方程的基础上,针对一维热湿耦合传递问题提出了以含水蒸气量作为驱动势,从而解决了实际中含湿量不连续的问题,并考虑了吸附和脱附作用对热湿传递的影响,此外,采用了传递函数法(TFM)求解多孔介质热湿耦合迁移方程,避免了复杂的特征值的求解。引入无量纲过余温度和湿度,同时对控制方程、边界条件和初始条件进行无量纲化,再进行拉普拉斯变换和引入传递函数,将无量纲化后的耦合偏微分方程组转化为一个常微分方程,进而求解,得到热湿耦合方程的解析解。最后,通过与已知文献实验结果对比,证明了本文求解析解能够很好地预测多孔介质中热湿迁移这一复杂的物理现象。
　　 本文利用有限差分法(FDM)方法将方程离散,并采用TDMA算法,在Fortran环境下编写相应程序,对热湿耦合传递问题进行了数值求解,将所得结果与解析解进行对比分析,进一步证明了当温度、湿度梯度不是很大时,解析求解的合理性。本文分别对先干燥、先潮湿两种情况下的热湿耦合传递问题进行数值求解,并用文献中实验值对数值求解结果进行了验证;对等温、非等温两种情况下的热湿耦合问题进行了探讨,得到了温度与湿分运输的相互影响关系。为了使研究更有实际意义,将单层墙体扩展到了多层,并介绍了界面上系数的处理方法。对多层墙体进行了数值模拟,所求结果与文献中实验值相符较好,同时,针对实际中夏季、冬季两种工况,分别对墙体内温度、湿度分布进行了模拟分析,得到了墙体内部的温度、湿度分布规律。