Comsol城市建筑群太阳热辐射温度场计算

热流Es | 供稿

小苏 | 编辑

赵佳乐 | 审核

一、热辐射

1.1 热辐射

物体保持一定温度，即达到热平衡时，电磁辐射（简称辐射）是各种频率电磁波的混合，而且能量分布与物质结构无关，称为热辐射。温度不太高时，辐射基本上都不可见；随着温度的升高，物体发红；温度更高时，物体发白。辐射落在物体上，有反射，有吸收，物体自身也发射辐射。

关于热辐射，其重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4个定律，有时统称为热辐射定律。物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。定律表明，热辐射辐出度大的物体其吸收比也大，反之亦然。

图1a. 热辐射

1.2 太阳辐射

太阳辐射，是指太阳以电磁波的形式向外传递能量 ，太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。太阳辐射所传递的能量，称太阳辐射能。地球所接受到的太阳辐射能量虽然仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十二亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉，也是地球光热能的主要来源。

到达地表的全球年辐射总量的分布基本上成带状，只有在低纬度地区受到破坏。在赤道地区,由于多云，年辐射总量并不最高。在南北半球的副热带高压带，特别是在大陆荒漠地区，年辐射总量较大，最大值在非洲东北部。

太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天文位置决定的，称为天文辐射。由天文辐射决定的气候称为天文气候。天文气候反映了全球气候的空间分布和时间变化的基本轮廓。到达地球上的太阳辐射能量只有太阳总辐射能量的很小一部分，但它的作用却是相当大的，热带一年中太阳可以直射，获得的热量最多；寒带太阳高度很低，并且有长时间的极夜，所以获得的热量最少。也就是因为太阳辐射具有纬度差异，所以各地获得的热量存在差异。但是在热量盈余的地方比如赤道，温度并没有越来越高；热量亏损的地方，比如两极，温度也没有越来越低，而是保持相对稳定。对于整个地表来说，热量应该是平衡的，因而热量多余和热量不足的地方，要发生热输送。

人们对太阳辐射作用最直接的感受来自于它是人们生产和生活的主要能源。如植物的生长需要光和热，晾晒衣服需要阳光，工业上大量使用的煤、石油等化石燃料是太阳能转化来的，被称为储存起来的太阳能。

图1b. 太阳辐射

二、物理建模

根据某城区建筑群实地尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置混泥土材料的比热容、密度、导热系数和表面辐射系数，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。

图2. 几何模型

图3. 材料参数

三、物理边界条件

温度场边界条件

（1）建筑群设置固体域材料；

（2）初始温度293.15K，外界环境温度293.15K；

（3）地面底部设置第一类温度边界293.15K；

（4）墙体和外界空气进行对流换热，换热系数取10W/（m2*K）。

表面对表面辐射条件

（1）墙体设置漫反射边界条件；

（2）墙体初始值设置灰体/黑体；

（3）外部辐射源选择北纬51.477°、经度-0.0005°的太阳。

多物理场耦合条件：

（1）表面对表面热辐射：选择墙体热辐射边界。

图4. 物理场边界条件

根据有限元法求解原理，网格剖分越精细，计算结果求解越准确。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，计算过程采用三角形非结构化网格对城区建筑群太阳热辐射温度场模型进行划分，具体网格分布如图5所示。

图5. 计算网格

四、结果展示

采用全耦合求解器进行求解，通过计算得到城区建筑群模型温度场分布如下图所示。

图6. 温度场分布

图7. 等温线分布

图8. 等温面分布

图9. 表面辐射度分布

图10.能流密度分布