多外扰作用下双层定型相变围护结构动态传热机理研究

我国建筑能耗不断攀升，到2030年，建筑能耗比例将升至约40%。提高围护结构热工特性是降低建筑运行能耗的重要手段之一。本项目将从理论上分析相变材料厚度、相变潜热、相变温度、比热容、热导率等因素对围护结构传热的影响；建立考虑相变吸/放热及热物性参数变化的动态传热模型；搭建双层定型相变围护结构实验房，进行动态热特性实验；在不同室外环境、室内环境及相变材料吸/放热多外扰作用下，模拟和实验研究该结构传热过程的规律，揭示相变材料对该结构传热过程的影响机理，为发展高效围护结构提供理论支持。目前常见的单层定型相变材料ꎬ在室内或者室外使用往往只能在夏季或冬季发挥作用，为改善全年室内热环境，降低全年建筑运行能耗，且减少墙体改装面积，本项目提出一种新型的双层定型相变墙体。具体做法为在建筑物外墙内外表面均添加定型相变材料板，外层相变板具有较高的相变温度，在夏季发挥作用，内层相变板具有较低的相变温度，在冬季发挥作用。本文中的双层定型相变墙板用于建筑南外墙，该研究主要分析了相变材料厚度、相变温度对建筑运行能耗和建筑室内热环境的影响ꎬ最后根据节能率性及经济性因素得出了相变墙板的推荐使用厚度及其对应的相变温度，为该结构在建筑节能中的应用提供技术支持。双层定型相变墙体能够在夏季隔热、冬季保温，降低建筑物的运行能耗并提高了室内的热舒适性。为了更有效地发挥相变墙体的作用，分析了双层定型相变墙体在空调房间的使用效果，对比分析在装有变频空调和定频空调 2 种房间的运行能耗，结果表明：在装有变频空调的房间，双层定型相变墙体比普通墙体更加节能，变频空调能更有效地发挥定型相变墙体的自动调温作用。选取各气候区典型城市的气象数据作为模拟条件，对比相变房间与普通房间的模拟结果，分析定型相变墙体在各典型气候区的适用性，同时得出节能潜力最大时对应的定型相变材料厚度及相变温度参考值，为该结构的推广应用提供参考。 2100433B

相变围护结构可有效改善室内热环境并降低建筑运行能耗，减小暖通空调系统装机容量。针对现有单层定型相变围护结构只能在单个季节发挥作用，以及在使用了暖通空调系统建筑中存在吸/放热能功能受限的不足，本项目提出新型“三明治式”双层定型相变围护结构，利用其近似等温吸/放热及相变潜热较大的特点可全年改善围护结构热工特性。本项目将从理论上分析相变材料厚度、相变潜热、相变温度、比热容、导热系数等因素对围护结构传热的影响；建立考虑相变吸/放热及热物性参数变化的动态传热模型；搭建双层定型相变围护结构实验房，进行动态热特性实验；在不同室外环境、室内环境及相变材料吸/放热多外扰作用下，模拟和实验研究该结构传热过程的规律，揭示相变材料对该结构传热过程的影响机理，为发展高效围护结构提供理论支持。

本项目研究组合式相变材料均匀并且等速率固液和固固相变过程的传热机理。提出了“均匀等速相变传热”的理论构想并研究实现该构想的条件，将结果用于研究采用现存材料组合达到等速相变的传热过程。该传热过程不仅能够实现热能的等速利用而且热效率比传统相变提高１５－４０％。研究结果可形成强化传热的一种新方法，具有重要的理论价值和应用潜力。

路面摩擦学性能对道路安全和社会经济有着重要的影响，轮胎与路面摩擦的作用机制复杂，是一个广泛的固液多相间的物理化学和力学过程，影响因素众多，在不同尺度下表现出不同的行为特征，缺乏对其机理的研究。 本研究依据纳米摩擦学、表面界面科学、岩石力学等理论基础，结合微宏观表面模拟分析技术，在不同尺度上开展沥青路面摩擦磨损性能仿真及试验研究，对路面摩擦学性能的行为特征、作用、机理和影响因素等进行分析，为沥青路面摩擦磨损性能的性能评估和寿命预测提供了有效的研究手段。 首先采用分子动力学模拟方法，确定了轮胎与路面摩擦接触模型的初始结构——二氧化硅为固定基底和异戊二烯为匀速滑动单链结构。对轮胎与路面间的微观摩擦学性能进行模拟分析。本文主要对摩擦学性能主要参数摩擦系数进行研究，分析速度、温度与摩擦系数之间的关系。模拟结果显示，摩擦系数随着速度的增大而减小，且与温度之间存在峰值关系。轮胎与路面的微观摩擦不仅与表面势能相关还和异戊二烯分子形态有关。 然后使用非接触式光学表面轮廓仪采集不同集料的表面微观构造形貌，计算多种反映表面形貌不同方面特征的参数，通过这些参数检验不同集料间的表面微观构造差异性，并测量不同集料表面的抗滑性能，对集料表面的微观构造特征与抗滑性能的演化进行关联分析，建立集料微观构造特征与抗滑性能的评价模型。 最后使用三角激光扫描技术对沥青路面表面宏观构造进行三维重构，针对现有的路面表面宏观构造特征参数无法表征路面构造的三维分布形态的问题，提出一种新的三维表征方法，能够可视化的展示路面宏观构造的分布密度，并通过计算，准确反映宏观构造随构造深度的变化情况。在路面三维数值模型基础上建立轮胎-路面接触模型，结合数值模拟的方法分析路面集料宏观尺度下的磨损退化规律。 2100433B