混凝土多孔介质等温吸湿过程的数值模拟

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发布时间：2021-09-17

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混凝土多孑L介质等温吸湿过程的数值模拟
于航，王小林
(同济大学，上海200092)
摘要：分析了含湿多孔介质吸湿的主要机理，根据介质吸湿过程中的热湿平衡建立了其吸湿
过程的一维数学模型。采用控制容积法及时间显式积分方案对方程进行了数值计算。计算结果表
明多孔介质在等温吸湿过程中存在不稳定和相对稳定两个阶段。吸湿处于不稳定阶段时温度梯度
势和含湿量梯度势相互作用；吸湿处于相对稳定阶段时仅存在含湿量梯度势。同时比较了轻质混
凝土、半轻质混凝土、粘土实心砖三种材料的吸湿性能。
关键词：多孔介质；等温吸湿；传热传质；吸湿平衡
中图分类号：TUl11．2 文献标识码：A 文章编号：lOO5—7439(2007)03-O171—04
A Numerical Simulation of Isothermal M oisture
Sorption in Concrete Porous M edia
Yu Hang—WANG Xiao-lin
(Tongji University，Shanghai 200092，China)
Abstract：In this’paper，the primary mechanisms affecting moisture sorption process of wet porous media were
analyzed and an 0ne— dimensiona1 mathematical mode1 was established tO predict moisture sorption on the base of
heat and moisture sorption equilibrium in the po rous media．The numerical technique was applied tO solve the model
th the volum e contro1 method and time explicit integra1 scheme．The result indicates that the isotherma1 moisture
sorption pmc~s coNd be divided into two periods：unstable and stable． In unstable period temperature grads force
and humidity grads force are coupling but in stable one there is only humidity grads force． Besides the sorption
capacity between concrete、lightw eight concrete and brick were compared in the paper．
Keywords：porous media；isothermal moisture sorption；heat and mass transfer；moisture sorption equilibrium
多孔介质(porous media)是一种含有大量孔隙
的固体材料，其内部通常由多孔固体骨架和孔隙问
的流体组成多相共存空间。含湿多孔介质是由空
气、水分以及固体实质部组成，介质内部含有的水分
为孔隙处的水蒸气和实质部以毛细管水、吸附水形
态存在的液态水[1]。现代建筑围护结构的墙体材料
多为烧结粘土空心砖、加气混凝土砌块等轻质多孔
介质材料，与传统的粘土实心砖相比具有容重轻、保
温效能高、吸音好等优点，能有效降低建筑的热负
荷，起到节能的作用，但是这种墙体在多雨季节以及
高湿度环境下常出现墙面潮湿、渗漏、霉变以及墙体
内部结露等现象，严重损害了墙面的装饰材料，缩短
了建筑物的使用寿命，同时还影响到室内设施的耐
用性和居住人员的健康，因而对其热湿传递过程的
研究显得十分重要。由于多孔介质的湿传递多以液
体分子扩散、水蒸气扩散、毛细扩散等方式进行，其
中涉及的机理十分复杂，因而用数学解析的方法很
难描述。本文针对多孔介质结构的特点，通过一些
合理假设导出了墙体多孔介质材料在吸放湿范围内
热湿同时传递的基本方程，并以轻质混凝土为例进
行了数值求解。
1 热湿迁移基本原理与一维模型的建立
1．1 热湿迁移基本表达式
在多孔介质吸放湿时，孔隙中的蒸汽进行的是
气态扩散，液相水则在毛细管作用和吸附作用下进
行液态扩散；在介质内部由于水分相态的变化还会