Calculul câmpurilor de temperatură în programul ELCUT. Calculul câmpurilor de temperatură în programul ELCUT Graficul sistem Olma al câmpurilor de temperatură

Pentru anvelopele clădirilor, un câmp de temperatură plat este tipic atunci când acestea conțin elemente de cadru, buiandrug etc., când lungimea lor depășește semnificativ grosimea gardului.

Procesul de transfer de căldură în structura luată în considerare este influențat semnificativ de incluziunile conductoare de căldură, de exemplu, profilele de oțel care formează așa-numitele „punți reci”. Pentru a sparge aceste punți reci, profilele sunt conectate la structură, de exemplu, prin distanțiere din placaj. O secțiune similară a structurii poate fi izolată pentru calcularea câmpului de temperatură. Câmpul de temperatură al secțiunii luate în considerare este bidimensional, deoarece distribuția temperaturii în toate planurile paralele cu planul secțiunii transversale al structurii este aceeași. Profilele din partea principală sunt situate la o distanță de 1, 2, ..., x, m unul de celălalt (Figura 3).

La determinarea rezistenței reduse la transferul de căldură, m 2.o C/W, conform datelor de calcul pe un computer personal (PC) a unui câmp de temperatură bidimensional staționar, aria supusă studiului, alocată pentru calculul câmpului de temperatură, este un fragment al structurii de închidere pentru care trebuie determinată valoarea.

Cantitatea necesară

unde ∑Q este suma fluxurilor de căldură care traversează zona de studiu, W/m2, determinată ca urmare a calculării câmpului de temperatură;

t int, t ext – respectiv, temperatura aerului interior și exterior, o C;

L – lungimea zonei de studiu, m.

Când se calculează un câmp de temperatură bidimensional, zona selectată este desenată la scară și, pe baza desenului, se întocmește o diagramă de calcul, simplificând-o pentru comoditatea împărțirii în secțiuni și blocuri.

în care:

Înlocuiți configurațiile complexe ale secțiunilor cu altele mai simple dacă acest lucru are un impact minor în ceea ce privește ingineria termică;

Pe desen sunt trasate limitele zonei de studiu și axele de coordonate (x, y sau r, z). Sunt identificate zone cu conductivități termice diferite și sunt indicate condițiile de schimb de căldură la limite. Furnizați toate dimensiunile necesare;

Zona de studiu este împărțită în blocuri elementare, evidențiind separat zone cu diferiți coeficienți de conductivitate termică. A desena-

întocmește o diagramă la scară a împărțirii zonei de studiu și indica dimensiunile tuturor blocurilor;

Zona de studiu este desenată într-un sistem de coordonate convențional x’, y’, atunci când toate blocurile sunt considerate ca fiind de aceeași dimensiune. Sunt indicate coordonatele vârfurilor poligoanelor care delimitează zone ale regiunii cu conductivități termice diferite (Figura 4).

Figura 3 – Dispunerea nodurilor grilei bidimensionale pentru calcule

câmp de temperatură

Ecuația diferențială a unui câmp de temperatură plan are următoarea formă:

Ð 2 t/Ðx 2 = Ð 2 t/Ðy 2 . (3,2)

Integrarea acestei ecuații în forma sa generală este o sarcină foarte dificilă. Este și mai complicată de prezența în domeniul materialelor cu coeficienți de conductivitate termică diferiți. Problema este mult simplificată la rezolvarea ecuației în diferențe finite. În acest caz, ecuația diferențială este înlocuită cu un sistem de ecuații liniare, necunoscutele în care se vor afla valorile funcției dorite la punctele câmpului aflate la nodurile unei grile compuse din pătrate cu o latură a celui acceptat. dimensiunea Δ.

În diferențele finite ecuația este:

τ xx +τ yy =0, (3.3)

unde τ xx ,τ yy sunt a doua diferență finită a funcțiilor τ conform X și prin y .

Scriindu-le în detaliu, obținem (Fig. 4)

(τ x + Δ, y - 2 τ x, y + τ x - Δ, y)/ Δ 2 +(τ x, y + Δ - 2 τ x, y + τ x, y - Δ)/ Δ 2 = 0.

De unde, rezolvând ecuația rezultată pentru τ x, y, vom avea:

τ x, y = (τ x + Δ, y + τ x - Δ, y +τ x, y + Δ + τ x, y - Δ)/4,

acestea. într-un câmp uniform, temperatura la fiecare nod al grilei trebuie să fie egală cu media aritmetică a temperaturilor a patru noduri învecinate.

Se consideră un nod cu temperatura τ x, y. Pătratul în centrul căruia se află acest nod primește (sau emite) căldură în direcția punctelor situate în patru noduri adiacente ale grilei având temperaturi

τ x + Δ , y , τ x - Δ , y , τ x , y + Δ , τ x , y – Δ . Cantitatea de căldură schimbată cu materialul înconjurător printr-o tăietură pătrată în jurul punctului x,y va depinde nu numai de temperatura nodurilor învecinate, ci și de mărimea coeficienților de transfer de căldură în direcția firelor de plasă între punctul x, y și aceste puncte. Notând coeficienții de transfer de căldură cu literele k cu indicii corespunzători, obținem:

2- cantitatea de căldură transferată în direcția de la nodul x,y la nodul cu temperatura τ x - Δ, y

Q1 = (τ x, y - τ x - A, y)k x - A; (3,4)

2- cantitatea de căldură transferată în direcția de la nodul x,y la nodul cu temperatura τ x, y + Δ

Q2 = (τ x, y - τ x, y + Δ)k y + Δ; (3,5)

2- cantitatea de căldură transferată în direcția de la nodul x,y la nodul cu temperatura τ x + Δ, y

Q3 = (τ x, y - τ x + Δ, y)k x + Δ; (3,6)

2 - cantitatea de căldură transferată în direcția de la nod X y la un nod cu temperatura τ x, y - Δ

Q4 = (τ x, y - τ x, y - Δ)k y - Δ. (3,7)

Din starea de echilibru termic, suma acestor cantități de căldură trebuie să fie egală cu zero, adică.

(τ x , y - τ x - Δ , y)k x - Δ = (τ x , y - τ x , y + Δ)k y + Δ= (τ x , y - τ x + Δ , y)k x + Δ =

=(τ x, y - τ x, y - Δ)k y - Δ =0.

Rezolvând această ecuație pentru τ x, y, obținem în final

τ x , y = (τ x - Δ , y k x - Δ + τ x , y + Δ k y + Δ + τ x + Δ , y k x + Δ + τ x , y – Δ k y - Δ) /(k x - Δ + k y + Δ + k y + Δ+ k y - Δ). (3,8)

Aceasta este formula generală pentru calcularea temperaturii la toate nodurile grilei.

Soluția trebuie făcută folosind o metodă numerică, calculând secvențial temperatura în fiecare punct. Calculul se efectuează până când diferența dintre valorile din fiecare punct la pasul de calcul curent și anterior nu depășește precizia specificată.

Datorită numărului mare de calcule, este recomandabil să se calculeze un câmp de temperatură bidimensional folosind tehnologia computerizată. Calculul se face folosind un program la departamentul HVAC.

Exemplu

Este necesar să se determine distribuția temperaturii și rezistența redusă la transferul de căldură într-o structură neuniformă (Fig. 4).

Datele inițiale

Structura este formată din două materiale: peretele exterior al clădirii este din cărămidă cu un coeficient de conductivitate termică de 0,81 W/(m°C) iar tavanul este realizat dintr-o placă de beton armat cu un coeficient de conductivitate termică de 2,04 W/ (m°C). Următoarele condiții de pe părțile laterale ale gardului au fost acceptate în calcul:

afară - t exl = -30 °C; α ext = 23 W/(m 2 °C), (5)

interior - t int = 20 °C; și int = 8,7 W/(m2°C), (4).

Procedura de calcul

Câmpul de temperatură al secțiunii luate în considerare este bidimensional, deoarece distribuția temperaturii în toate planurile paralele cu planul secțiunii transversale al structurii este aceeași.

Calculele câmpului de temperatură se fac folosind metoda iterației, după cum urmează.

Ele sunt prestabilite de niște valori arbitrare ale temperaturii la toate nodurile grilei. Apoi, folosind formula, valoarea temperaturii este calculată succesiv la toate nodurile, înlocuind-o pe cea anterioară cu valorile de temperatură obținute până când temperatura la fiecare nod al grilei câmpului satisface ecuațiile corespunzătoare la temperaturile aerului date pe unul și pe celălalt. laterala gardului (Fig. 5).

Procesul poate fi considerat finalizat numai atunci când, într-o anumită precizie, temperaturile rămân constante la toate nodurile grilei. Durata calculului depinde de cât de corect au fost setate temperaturile inițiale.

Figura 4

-29,44 -13,684 1,981 18,467
-29,44 -13,697 1,969 18,466
-29,44 -13,626 2,248 18,487
-29,44 -13,659 2,2 18,483
-29,44 -13,758 1,958 18,376
-29,45 -13,978 1,839 18,363
-29,46 -14,8 0,491 17,378
-29,48 -15,16 0,183 17,334
-29,62 -16,252 -3,8 7,552 17,69 19,05 19,39 19,5 19,537 19,55 19,56 19,7
-29,66 -16,523 -4,11 7,4327 17,73 19,14 19,49 19,61 19,652 19,67 19,68 19,8
-28,93 -16,831 -5,47 4,463 12,48 16,05 17,51 18,08 18,291 18,38 18,43 18,8
-28,95 -16,942 -5,59 4,4726 12,61 16,3 17,81 18,4 18,634 18,73 18,78 19,1
-28,91 -17,117 -6,19 3,3321 12,24 16,15 17,71 18,31 18,544 18,64 18,69
-28,92 -17,167 -6,24 3,3472 12,32 16,28 17,87 18,5 18,737 18,83 18,89 19,2
-28,19 -16,737 -5,7 2,8765 17,32 19,13 19,53 19,66 19,708 19,73 19,74 19,8
-28,19 -16,758 -5,74 2,8603 17,33 19,13 19,54 19,67 19,719 19,74 19,75 19,8
-29,47 -15,179 -0,4 17,668
-29,47 -15,2 -0,42 17,664
-29,46 -14,192 1,522 18,402
-29,46 -14,211 1,502 18,399
-29,45 -13,724 2,199 18,485
-29,45 -13,742 2,181 18,482
-29,44 -13,531 2,44 18,507
-29,44 -13,546 2,424 18,504
-29,44 -13,461 2,52 18,513
-29,44 -13,473 2,507 18,511
-29,44 -13,446 2,537 18,514
-29,44 -13,453 2,53 18,513

Odată cu intrarea în vigoare a SP 50.13330.2013 la secțiunea Eficiență energetică, va fi necesară determinarea rezistenței reduse la transferul de căldură pe baza rezultatelor calculării câmpurilor de temperatură. Unii experți solicită deja aceste calcule, deși experții înșiși nu înțeleg nimic despre asta.

Calculul TP pare să fie posibil în diferite programe (a fost discutat pe forum). Cu toate acestea, majoritatea acestor programe sunt foarte dificil de stăpânit de arhitecții și inginerii obișnuiți. Cerințele pentru un astfel de program pot fi formulate:
1. Ar trebui să facă ceea ce este necesar pentru a calcula rezistența redusă conform SP 50 și, dacă este posibil, să nu facă nimic inutil.

2. Programul ar trebui să fie accesibil pentru stăpânire de către un inginer sau un arhitect obișnuit care nu are timp să-și petreacă jumătate din viață studiind un monstru software precum ANSYS.

3. Programul trebuie să aibă o interfață în limba rusă.

4. Programul trebuie să fie bine documentat și să aibă un sistem de ajutor.

5. Programul poate fi descărcat cel puțin pentru testare înainte de cumpărare.

Se pare că nu există nimic special în aceste cerințe? Dar îndeplinirea lor nu este atât de ușoară. S-ar părea că ar trebui să existe multe astfel de programe. Și se pare că sunt multe dintre ele, dar nu există nimic de ales. Puteți căuta singuri pe internet și puteți încerca.

Cu toate acestea, vom da un exemplu de un astfel de program. Acesta este ELCUT. Îndeplinește cele mai multe (dar nu toate) condițiile noastre.

1. ELCUT este destul de capabil să calculeze câmpuri de temperatură, deși face o mulțime de alte lucruri utile de care nu avem nevoie.

2. ELCUT este ușor de învățat. Prima dată, când vă întâlniți, puteți petrece o jumătate de zi la calcul și apoi - maximum o jumătate de oră.

3. ELCUT are o interfață în limba rusă.

4. ELCUT este echipat cu un sistem de ajutor excelent și videoclipuri de antrenament suplimentare.

5. ELCUT are o versiune gratuită „student”, care este suficient pentru a ne rezolva problemele. În versiunea „student”, numărul de noduri ale rețelei de calcul este limitat, dar pentru probleme precum a noastră acest lucru este suficient - trebuie doar să setați cu înțelepciune distanța dintre noduri.

După ce am tratat acest program, am scris o scurtă documentație despre el, cu o defalcare a unui exemplu de calcul specific. Și, de asemenea, cum să folosiți rezultatele acestui calcul în nota explicativă a secțiunii 10.1, astfel încât niciun expert să nu se gândească măcar la „apariție”.

Comentarii

Comentariile 1-4 din 4

Calcul de dragul unei căpușe la verificare. Frica si groaza...

Mulțumesc

Vă mulțumim pentru munca dvs.!

Citat:

Mesajul #2 de la filosov
Vă mulțumim pentru munca dvs.!
Pentru mine, după ce am rezolvat câteva exemple simple, mi-am dat seama că ELCUT supraestimează pierderile de căldură de 2 ori. Este un bug sau o caracteristică - nu am nici timpul și nici dorința să aflu.
În exemplul dvs., discrepanța este, de asemenea, aproximativ dublă.


Nu estimez - mai mult sau mai puțin. Cantitatea de flux de căldură afișată de orice program pentru calcularea câmpurilor de temperatură depinde numai de elementul limită (dimensiunea acestuia) specificat de utilizator. În ELCUT acest lucru se face prin indicarea, în alte programe - prin indicarea unei „margini”. Dar aici puteți face ce doriți - setați-l de 2 ori mai mult sau setați-l de 4 ori mai puțin.

În teorie, societatea în participațiune (din moment ce a fost introdus calculul obligatoriu al TP) ar fi trebuit să sublinieze clar cerințele. Și nu există nimic acolo - doar o imagine, a cărei origine este în general necunoscută.
Frica si groaza...
În curând, eficiența energetică va atinge (și depăși) protecția mediului în ceea ce privește numărul de pagini (~300 de coli de plăci în font 7-8)
Dacă sunt mai multe clădiri, vor fi mai multe. Și acest lucru este inerent P87 în sine. „Justificarea” este necesară peste tot acolo. Pe baza acestui fapt, experții prea zeloși și meticuloși cer să „descrie în cifre” progresul calculului pentru fiecare indicator - de unde a venit totul, așa cum credeau ei. Dacă, așa cum era de așteptat, nota ar prezenta rezultatele, iar „justificările” ar fi în arhivă, volumul ar fi mai mic. Dar tot ar cere calcule și tot ar trebui să fie întocmite.

Și odată cu introducerea modificărilor la P87, va fi și mai rău - nu va mai fi o secțiune, ci un „capitol” în aproape fiecare secțiune.

Calculul câmpurilor de temperatură ale secțiunilor structurilor de închidere ale clădirilor și structurilor

Scopul programului

Programul este destinat calculării câmpurilor de temperatură (bidimensionale și tridimensionale) ale secțiunilor structurilor de închidere ale clădirilor și structurilor.

În urma calculului se vor obține următoarele:

  • fluxul de căldură care trece prin zona calculată;
  • temperatura în fiecare punct calculat al câmpului de temperatură al secțiunii calculate a gardului;
  • se calculează temperatura pe suprafața interioară a gardului și punctul cu temperatura minimă pe suprafața interioară;
  • reprezentarea grafică a câmpului de temperatură al gardului calculat;
  • izoterme ale câmpului de temperatură al gardului calculat.

Caracteristicile programului

Câmpul de temperatură este calculat folosind metoda grilei.

Calculul se poate face prin metoda exactă și metoda aproximării. Numărul maxim de puncte de calcul cu metoda exactă este de 100 de mii pentru un câmp bidimensional și 60 de mii pentru un câmp tridimensional. Numărul maxim de puncte pentru metoda de aproximare nu este stabilit și este determinat de capacitățile computerului și monitorului.

Introducerea datelor se face grafic.

Dimensiunile secțiunii de gard (nod) și pasul grilei sunt specificate de utilizator.

Pentru un câmp tridimensional, utilizatorul specifică numărul de straturi și înălțimea acestora. Limitările numărului de puncte de calcul sunt determinate de capacitățile computerului.

Dimensiunile coloanelor, rândurilor și straturilor sunt definite de utilizator (mm). Se recomandă să luați dimensiunile celulelor în intervalul 5x100 mm, în funcție de natura problemei care se rezolvă.

Lățimea pentru fiecare coloană și rând poate fi setată separat. La specificarea datelor inițiale, setăm mai întâi dimensiunile și pasul grilei uniforme. Apoi, puteți redimensiona coloanele și rândurile individuale pentru a crea o grilă cu spațiere neuniformă. Cu toate acestea, o grilă uniformă este reflectată în orice caz pe ecranul monitorului. În acest caz, dimensiunile coloanelor și coloanelor din grila neuniformă sunt afișate de-a lungul perimetrului câmpului de calcul.

Numărul maxim de materiale într-un nod de calcul este 8.

Temperatura aerului extern și interior este setată de utilizator în intervalul de la -100 la +2000°C. Se pot seta 2 temperaturi interioare și o temperatură externă.

Valoarea coeficientului de transfer de căldură pe suprafețele interioare și exterioare este specificată de utilizator (în intervalul 150).

Condițiile la limită sunt determinate de parametrii 2 temperatura aerului interioară, temperatura aerului extern și bariera la fluxul de căldură.

Nu există restricții privind crearea condițiilor limită pentru cei patru parametri.

În mod implicit, programul specifică condiții la limită. Rândul orizontal superior mărginește aerul exterior. Rândul de jos cu aer intern. Coloanele din stânga și din dreapta ale câmpului de temperatură au o barieră în calea fluxului de căldură în stânga și, respectiv, în dreapta.

Zona de aplicare Construirea câmpurilor de temperatură volumetrice în geoinginerie, geotehnică, geotermală și minerit folosind date din rețelele termometrice din zona de permafrost. Cunoașterea stării de temperatură a rocilor și a solurilor din fundațiile structurilor inginerești din zona de permafrost - lucrări de apă, structuri de cap de mine ale minelor subterane, clădiri în funcțiune, centrale termice construite pe permafrost - este cheia funcționării lor în siguranță. Sfera de aplicare a programului este determinată și de faptul că peste 60% din teritoriul Federației Ruse este situat geografic în zona de permafrost a Pământului.

Descrierea algoritmului Algoritmul este o implementare numerică a schemei autorului (denumită în continuare „schema”) în cadrul unui sistem clasic de control automat cu conexiuni directe și feedback. Proiectat pentru prelucrarea datelor de temperatură distribuite spațial de tip „împrăștiat” în metoda de schimbare a stărilor staționare la rezolvarea problemelor geotermofizice pentru procese lente care apar peste tot în geoinginerie (în special în zonele dezvoltate din nord și raftul arctic).

Elemente generale ale algoritmului iar unele rezultate ale programului sunt date în articol.

V.V. Neklyudov, S.A. Velikin, A.V. Malyshev, Controlul stării de temperatură a fundațiilor minelor în zona de permafrost folosind monitorizarea automată, Criosfera Pământului, 2014, nr. 4.

Pentru a asigura siguranța geocriologică în timpul funcționării instalațiilor de inginerie din zona de permafrost, „schema” utilizează algoritmi dovediți și de încredere pentru interpolarea 2D sau 3D a datelor „împrăștiate”. Datele de temperatură inițială sunt împărțite în două blocuri:

  • parametrii de temperatură ai surselor de căldură volumetrice cvasi-staționare ale obiectului: un puț de mină, un set de canale de ventilație volumetrice, un sistem de coloane de congelare și termosifoane;
  • temperatura rețelei de puțuri de măsurare: puțuri termometrice verticale și puțuri orizontale, precum și senzori unici de temperatură la intrarea și ieșirea sistemului de congelare.

„Schema” oferă citirea geometriei obiectului și a geometriei rețelelor termometrice de foraj, precum și a elementelor desenelor de construcție, în conformitate cu care se formează o grilă volumetrică cu date de temperatură. După interpolarea 2D sau 3D (opțional), „schema” vă permite să afișați paralelipipedul de temperatură rezultat într-un format potrivit pentru citire de către alte (la cererea Clientului) sisteme grafice profesionale.

Geometria inițială a obiectului pentru „schemă” este formată conform desenelor de construcție din binecunoscutul program „Surfer”.

„Schema” vă permite să:

  • să lucreze cu o bază de date de observații pe termen lung (automatizate) și să construiască atât secțiuni de temperatură geocriologică, cât și secțiuni geocriologice ale ratelor de îngheț-dezgheț, atât în ​​formă 2D, cât și 3D;
  • a evalua numeric unele caracteristici termofizice (coeficient de difuzivitate termică etc.) ale solurilor și rocilor de fundație ale unui obiect direct în câmp ca soluție la problema coeficientului celei mai simple ecuații de transfer de căldură;
  • construiți suprafețe izoterme volumetrice în volumul fundației (mina subterană), incl. și în dinamică, ceea ce face posibilă evaluarea distribuției spațiale a zonelor de tranziție de fază și construirea caracteristicilor termodinamice ale solurilor de fundație.

„Schema” oferă capacitatea de a interacționa interactiv cu cubul de câmp de temperatură construit:

  • treceți între felii adânci și verticale cu un singur clic.
  • cu un singur clic, specificați puncte suplimentare pe o porțiune de adâncime, indicând noua temperatură din ea și recalculând interpolarea pe această porțiune de adâncime.
  • efectuați corectarea puțurilor scurte în intervalul de extrapolare.

Utilizarea opțiunii autorului de „extrapolare” a puțurilor scurte la adâncimea puțurilor lungi extinde semnificativ posibilitățile construcțiilor volumetrice în industria geotehnică. Este posibilă utilizarea altor opțiuni la cererea Clientului

„Schema” oferă opțiunea de „monitorizare online” pe afișajul computerului de producție (pe baza istoricului existent al măsurătorilor de temperatură pe termen lung) a dinamicii temperaturii pentru toate puțurile termometrice ale fundației clădirii de deasupra minei. structurile minei subterane. Această caracteristică permite operatorului stației de congelare să înregistreze direct vizual apariția unor tendințe anormale de temperatură în dinamica curentă și să răspundă la situații non-standard prin setarea unor parametri suplimentari în bucla de feedback în ACS „sistem termometric - program rezident - sistem de congelare”.

„Schema” este implementată pentru versiunea „CPU-calcul”, dar poate fi transferată în cazul „GPU-calcul”.

Funcționalitate Volumul tipic de date procesate este de până la 8 GB de RAM pentru cele mai mari mine subterane din zona de permafrost a Federației Ruse pentru o fundație tipică de mine subterană.

Detaliu Construcțiile de temperatură prin algoritmul programului Thermik sunt furnizate în detaliu până când se obțin gradienți de temperatură pe secțiunea transversală a grămezii, exacte la forma sa - rotundă sau pătrată. Precizie de fapt Construcțiile de temperatură sunt asigurate de acuratețea senzorilor de temperatură utilizați - de regulă, până la sutimi de grad Celsius. Eroare este determinată și de componenta hardware. Astfel de capabilități oferite de algoritmul programului Thermik, care sunt în prezent absente în alte sisteme geotehnice cunoscute, permit operatorilor să evalueze așa-numitele. tensiuni de deformare a temperaturii asupra piloților și altor elemente (tuburi etc.) pentru a controla distrugerea acestora.

Instrumente implementarea algoritmului este familia C++, în versiunea descrisă 64 de biți - medii de programare software. Acesta este furnizat utilizatorului sub forma unui fișier executabil.