На сегодняшний день, большинство компьютерных программ для расчета температурных полей используют, на наш взгляд, устаревший подход: формулировка задачи производится в неудобной табличной форме, требующей специального изучения от пользователя. При этом методика и модель расчета практически пользователю недоступна. Конечно, такой способ дает определенную выгоду при экономии памяти и вычислительных ресурсов, но в связи со стремительным развитием вычислительной техники подобные ограничения уже отходят на второй план. На первое место, с учетом большой насыщенности разнородных элементов в узле, теперь выступает требование "естественности" постановки задачи и гибкости в изменении исходных данных, поскольку очевидно, что для нахождения проектировщиком оптимального решения относительно разрабатываемой конструкции требуются расчеты нескольких вариантов компоновки узла с изменением геометрических и физических характеристик составляющих его элементов.
Сложность программирования и дороговизна специализированных программ заставляет
конструкторские организации отказываться от определения сопротивления теплопередачи
узла, исходя из расчета температурных полей, и принимать во внимание лишь нормативную
толщину утеплителя. Очевидно, что этого совершенно недостаточно для расчета сложных
конструкций с множеством слоев и теплопроводными включениями.
Таким образом можно сказать, что жизнь настаивает на разработке и внедрении в
массовую практику программ расчета температурных полей, которые бы были просты
и удобны для пользователя, допускали использование существующей аппаратной базы
и не требовали специальных знаний в области программирования и теплотехники.
Для этого в Stratum 2000 разработан конструктор инженера-теплотехника. Проектировщику
предоставляется возможность компоновки каркаса теплотехнического сооружения визуальным
и манипуляционным способом. Система использует интуитивно понятную систему графических
обозначений, облегчающую ввод данных и получение результатов расчета. Далее,
поскольку нами разработаны модели расчета, подразумеваемые теперь системой под
различными наглядными изображениями (конструктивами здания), то среда самостоятельно
формирует общую математическую модель всего проекта в целом, нарисованного пользователем,
рассчитывает его и наглядно отображает результат прямо на графическом изображении.
В перспективе предусмотрена возможность построения всего комплекса теплотехнических моделей базовых конструктивов и их графических изображений, необходимых инженеру-проектировщику. Объединение их на единой инструментальной основе, которой является среда Stratum-2000, дает возможность как неограниченного выбора вариантов проектов путем их наглядного структурного и параметрического конструирования, так и модификации самих моделей элементов и методик их расчета в случае необходимости.
За основу математической модели температурного поля было взято известное уравнение стационарного двухмерного температурного поля в конечных разностях.
Данное уравнение реализовано с помощью разновидности метода конечных разностей
- метода эквивалентных цепей. Суть этого метода состоит в том, что элементарные
объемы, на которые разбивается вся конструкция, заменяются затем узлами решетки,
соединенными связями с заданной теплопроводностью, которые описывают передачу
тепла между центрами элементарных объемов. После образования такой решетки составляется
и решается система линейных уравнений, при этом вычисляется температура в узлах
полученной решетки. Из-за малой величины расстояний между узлами изменение температуры
между ними принимается линейным. Считается, что при небольшом шаге разбиения
такое допущение незначительно влияет на точность результата.
Особенность Stratum 2000 заключается в том, что имеется возможность наиболее
наглядным образом представить связи элементарных объемов между собой. При этом
конструктивный элемент выполнен так, что он самостоятельно вычисляет температуру
в своей срединной точке, получая необходимую информацию от соседних элементов,
реализуя тем самым моделирование естественных связей в веществе математическим
образом.
Для составления и решения стационарного двухмерного температурного поля любого
объекта достаточно всего три базовых элемента:
- центральный модуль, который воспроизводит материал конструкции;
- боковой модуль, который задает температуру на поверхности конструкции (так называемые граничные условия третьего рода);
- "зеркальный" модуль, который имитирует продолжение конструкции, устанавливая нулевой тепловой поток по месту разрыва.
Взаимосвязи этих элементов можно изобразить так, как это показано на рисунках 1 - 4.
В качестве примера использования программы можно привести расчет теплового поля, возникающего в колодцевой кирпичной кладке. "Идеальная" конструкция утепленной кладки показана на рис. 6, но на практике для повышения устойчивости приходится перевязывать наружный и внутренний слои, образуя так называемый "мостик холода" (рис. 5). Очевидно, что теплопроводность такой конструкции не равна теплопроводности "идеальной" кладки. При этом возможны два пути решения проблемы. Можно попытаться решить задачу "в лоб", наращивая толщину основного утеплителя, или попытаться перекрыть утечку тепла, расположив эффективный утеплитель за перемычкой, как это показано на рис.7. При этом "простой" перенос утеплителя проблемы не решит, так как тепловой поток "обтекает" утеплитель, что увеличивает потери тепла. Расчеты показывают, что для достижения равенства с "идеалом" теплового потока приходится, для данной конструкции, продлевать утеплитель на 48 см при толщине вставки, равной толщине утеплителя, и на 30 см при ее удвоенной толщине. При этом для достижения требуемого теплового потока за счет наращивания основного утеплителя требуется его увеличение в 1,4 раза.
Таким образом, используя Stratum 2000, конструкторы-практики имеют возможность как структурно, так и параметрически оптимизировать собственные оригинальные конструкции и добиваться наиболее эффективных и выгодных решений при строго достоверном подходе.