Численное исследование теплопроводности композитного теплоизоляционного материала с микрогранулами

ЦЕЛЬ. Рассмотреть проблемы, возникающие при создании композитного теплоизоляционного материала, включающего слой микросферических гранул. Провести численное моделирование композитного материала с различным объемным содержанием микросфер и различными вариантами образования пустот. Оценить влияние наличия зон, не занятых микрогранулами, на изоляционные свойства композитного материала. Определить влияние объемного содержания микросферических гранул на тепловой поток через композитный материал.

МЕТОДЫ. Численное моделирование проводилось путем создания моделей элементарных кубических ячеек композита с упаковкой из 27 микросфер в программном комплексе ANSYS Fluent 19.2. Оценка изоляционных свойств проводилась путем измерения коэффициента теплопроводности.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье исследовано влияние наличия зон, не занятых микросферическими гранулами, на теплоизоляционные свойства композитного материала. Построены модели элементарных кубических ячеек с различным объемным содержанием микрогранул. Построены модели элементарных ячеек с различными вариантами образования пустот, такими как удаление вертикального или горизонтального ряда гранул и уплотнение гранул по вертикали или горизонтали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Удаление микрогранул оказывает значительное влияние на изоляционные свойства композита. Наименьший коэффициент теплопроводности получен для простой кубической ячейки при объемном содержании микрогранул φ = 40 %. Наличие пустот в материале способствует большим тепловым потерям, причем в случае вертикального сквозного канала тепловые потери больше, чем для горизонтального сквозного канала. В случае уплотнения сфер тепловые потери в зоне, не занятой микрогранулами, компенсируются уменьшением теплового потока в области с уплотнением сфер.

1. Гапоненко С. О., Файзлиев Р.А., Калинина М.В. Метод повышения эффективности тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения путем применения отражающего элемента // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 1(49). С. 204-217.

2. Гапоненко С. О., Файзлиев Р.А., Калинина М.В. Метод повышения эффективности тепловой изоляции трубопроводов // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 2(50). С. 142-147.

3. Zhou H., Brooks A.L. Thermal and mechanical properties of structural lightweight concrete containing lightweight aggregates and fly-ash cenospheres // Construction and Building Materials. 2018. V. 198, pp. 512-526.

4. Brooks A.L., Shen A., Zhou H. Development of a high-temperature inorganic synthetic foam with recycled fly-ash cenospheres for thermal insulation brick manufacturing // Journal of Cleaner Production. 2020. V. 246, 118748.

5. Liu B., Wang H., Qin Q. H. Modelling and characterization of effective thermal conductivity of single hollow glass microsphere and its powder // Materials. 2018. Vol. 11, N5, 133.

6. Curd M.E., Morrison N.F., Smith M.J., et al. Geometrical and mechanical characterisation of hollow thermoplastic microspheres for syntactic foam applications // Composites Part B: Engineering. 2021. V. 223, 108952.

7. Petkova-Slipets R., Penka Z. An analysis of the structure and thermal conductivity of hollow microsphere filled syntactic foams // Civil and Environmental Engineering. 2019. V. 15, N1, pp. 36-41.

8. Wang P., Ji L., Yuan J., et al. Modeling and optimization of composite thermal insulation system with HGMs and VDMLI for liquid hydrogen on orbit storage // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. V. 45, N11, pp. 7088-7097.

9. Yang H., Jiang Y., Liu H., et al. Mechanical, thermal and fire performance of an inorganicorganic insulation material composed of hollow glass microspheres and phenolic resin // Journal of Colloid and Interface Science. 2018. V. 530, pp. 163-170.

10. Shao Nn., Zhang Yb., Liu Z., et al. Fabrication of hollow microspheres filled fly ash based foam geopolymers with ultra-low thermal conductivity and relative high strength // Construction and Building Materials. 2018. V. 185, pp. 567-573.

11. Liang J.Z., Li F.H. Simulation of heat transfer in hollow-glass-bead-filled polypropylene composites by finite element method // Polymer Testing. 2007. Vo 26, N3, pp. 419-424.

12. Park Y.K., Kim J.G., Lee J.K. Prediction of thermal conductivity of composites with spherical microballoons // Materials Transactions. 2008. V. 49, pp. 2781-2785.

13. Wang H., Hou F., Chang C. Experimental and computational modeling of thermal conductivity of cementitious syntactic foams filled with hollow glass microspheres // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 265, 120739.

14. Xiao P., Yifeng Z., Peng W., et al. Estimation of thermal conduction in hollow-glass-beadsfilled cement-based composites by variational asymptotic homogenization method // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 161, 114191.

15. Jia Z., Wang Z., Hwang D.J., et al. Prediction of the effective thermal conductivity of hollow sphere foams // ACS Applied Energy Materials. 2018. V. 1, N3, pp. 1146-1157.

16. Zhan Yl., Zang Cg., Jiao Qj., et al. Heat-insulating materials with high-temperature resistance through binding hollow glass microspheres with vinyl-functionalized polyborosiloxane // Journal of Materials Science. 2020. V. 55, pp. 14264-14279.

17. Shabde V.S., Hoo K.A., Gladysz G.M. Experimental determination of the thermal conductivity of three-phase syntactic foams // Journal of Materials Science. 2006. V. 41, N13, pp. 4061– 4073.

18. Ozkutlu M., Dilek C., Bayram G. Effects of hollow glass microsphere density and surface modification on the mechanical and thermal properties of poly(methyl methacrylate) syntactic foams // Composite Structures. 2018. V. 202, pp. 545-550.

19. Qin Q.H. Trefftz finite element method and its applications // Applied Mechanics Reviews. 2005. V. 58, pp. 316–337.

20. Wang H., Qin Q.H. Hybrid FEM with fundamental solutions as trial functions for heat conduction simulation // Acta Mechanica Solida Sinica. 2009. V. 22, pp. 487–498.

21. Wang H., Qin Q.H., Xiao Y. Special n-sided Voronoi fiber/matrix elements for clustering thermal effect in natural-hemp-fiber-filled cement composites // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. V. 92, pp. 228–235.

22. Wang H., Zhao X.J., Wang J.S. Interaction analysis of multiple coated fibers in cement composites by special n-sided interphase/fiber elements // Composites Science and Technology. 2015. V. 118, pp. 117–126.

23. Lienhard J.H., Lienhard, J.H. A Heat Transfer Textbook // Phlogiston Press: Cambridge. USA, 2005.

24. Kang Y., Morita K. Thermal conductivity of the CaO–Al2O3–SiO2 system // ISIJ International. 2006. V. 46, pp. 420–426.