【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料各向异性传热技术，具体涉及一种适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法及系统。
技术介绍
1、建筑业需要突破性变革以减少其对环境和气候变化不利影响，3d打印建筑的出现为建筑行业的可持续发展提供了新的解决方案。作为评估能源性能的基础，外墙的热性能极大地影响建筑的能源消耗，因此，研究使用创新3d打印技术开发的墙体结构的热能性能非常重要。
2、3d打印建筑的独特建造工艺使其表现出不同于传统建筑的热性能，主要表现为各向异性的传热特性和复杂的墙体几何结构。各向异性的传热特性来源于打印工艺导致的材料几何分布不均以及不同方向的差异性受力，由此产生与打印方向相关的传热性能。同时，3d打印墙体的宏观几何设计可能会引入空腔结构，会形成包括导热、对流和辐射在内的多种热传递形式，这给墙体整体的热分析增加了难度。
3、已有许多研究关注材料各向异性传热问题。对于各向异性材料，可以根据材料特性确定主导热系数方向，对应建立材料坐标系。研究其各向异性传热问题时，可以通过数值模拟进行传热过程求解，在求解过程中，整个研究对象有一个整体坐标系。由此，各向异性传热研究的主要难点是模拟求解的整体坐标系与主导热系数对应的材料坐标系存在一定的夹角，这一夹角为材料方向角。针对这一问题，现有研究采用坐标变换法获取所研究的整体坐标系方向的导热系数，即利用材料方向角将材料主导热系数矩阵转换为整体导热系数矩阵，从而建立整体坐标系下的热量传输方程进行数值求解。
4、然而，有别于现有研究考虑的各向异性结构，3d打印墙体的建造基于打印喷
5、因此，现有技术方案不能实现变材料方向角问题的求解，不适用于3d打印墙体这种新型的研究对象。
技术实现思路
1、本专利技术是为了解决上述问题而进行的，提出一种适用于3d打印建筑墙体的各向异性热传递分析方法及系统，以适应其各向异性的热性能和宏观复杂几何形状下的热传递过程。
2、本专利技术提供了一种适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
3、步骤s1，构建墙体的结构网络模型，结构网络模型表征墙体的几何结构和材料的主导热系数方向，主导热系数方向对应于打印方向、高度方向和宽度方向；
4、步骤s2，构建结构网络模型在主导热系数方向的热量传输方程组；
5、步骤s3，在结构网络模型中，对热量传输方程组用迭代法求解，得到墙体的最终温度场，实现对墙体的各向异性热传递的分析。
6、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s1包括如下子步骤：
7、步骤s1.1，将墙体的结构划分成若干个微元体；
8、步骤s1.2，建立微元体之间的连通通道来表征求解方向；
9、步骤s1.3，得到每个微元体的微元体几何数据和连通通道的连通方向。
10、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s1.1包括：
11、基于墙体的形状轮廓得到打印路径，进而得到墙体各个位置的打印方向、高度方向和宽度方向，通过分别平行于打印方向、高度方向和宽度方向的切面，将墙体的结构划分为若干个具有一定几何尺寸的微元体，与每个微元体相邻的其他的微元体都在微元体的主导热系数方向上，
12、步骤s1.1基于python编程，利用porespy开源包存储各个微元体的图像信息，图像信息包括微元体几何数据，实现结构网络模型中微元体的构建。
13、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s1.2包括：
14、利用openpnm开源包，将微元体与周围的微元体连接，构建各个微元体之间的邻接矩阵和关联矩阵，形成微元体连接网络，连通通道为连接微元体的中心点的通道，连通通道的连通方向与主导热系数方向一致，连通方向表征求解方向。
15、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s1.3包括：
16、通过提取图像信息，获取各个微元体的微元体几何数据，并将微元体几何数据赋予给对应的微元体，通过微元体之间的位置关系，判断连通通道的连通方向，并将连通方向赋予给对应的连通通道。
17、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤s2包括：依据能量守恒建立各个微元体与相邻微元体之间的热量传输方程组，
18、根据墙体的多孔介质材料，微元体包括材料微元体，热量传输方程组包括材料微元体之间的热量传输方程，
19、材料微元体之间的传导性用串联热阻的和求解，微元体i、j之间的传导率表示为:
20、
21、其中，ri、rj分别为材料微元体i、j的热阻，λm,i、λm,j分别为材料微元体i、j的导热系数，w/(m·k)；δi、δj分别为材料微元体i、j到接触面的距离，
22、对p点代表的材料微元体与周围的材料微元体建立的热量传输方程为：
23、
24、其中，t为温度,k，上标代表所对应的时刻；λp,j是微元体p、j之间的传导率；ap,j是微元体p、j之间的接触面面积；δp,j为材料微元体p、j之间的距离；ρm是材料的密度,kg/m3；cp,m是材料的比热,j/(kg·k)；vp是微元体p的体积；δt是时间步长,s。
25、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，根据墙体的空腔结构，微元体还包括空腔微元体，热量传输方程组还包括空腔微元体与材料微元体之间的热量传输方程：
26、
27、整理得：
28、
29、其中，at,j＝hc,jaj，式中，ρa为空气密度，kg/m3；cp,a为空气比热，j/(kg·k)；λa为空气导热系数，w/(m·k)；va为空腔体积，m3；hc,j为空腔j表面对流传热系数，w/(m2·k)；aj为空腔j的表面积，m2；tx＝j为空腔j的表面温度，k；tint为空腔平均温度，k。
30、在本专利技术提供的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，基于材料表面的微元体会受到环境的影响，材料微元体还包括：
31、材料外表面边界微元体、材料内表面边界微元体、与空腔结构接触的材料表面微元体，
32、对于材料外表面边界微元体，热量传输方程为：
33、
34、其中，hc,e是外表面的对流传热系数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
9.根据权利要求8所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
10.一种适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析系统，使用权利要求1-9中任意一项所述的适用于3D打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的适用于3d打印墙体的各向异性热传递分析方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的适用于...
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