确定多壁聚碳酸酯板透光结构光学特性的数值模拟方法

本发明属于建筑可持续利用，特别是确定多壁聚碳酸酯板透光结构光学特性的数值模拟方法。

背景技术：

1、聚碳酸酯是5大通用工程塑料中唯一具有良好透明性的热塑性工程塑料，所制造的聚碳酸酯板重量轻，透光性好、隔热隔声性强，结构强度高，价格低廉，可作为玻璃的良好替代品。聚碳酸酯板可应用于立面、室内或屋顶，可减少人工采光的需求，已广泛应用于阳光房、温室、具备采光需求的大型建筑以及太阳能光伏光热领域，在建筑节能领域有着巨大的应用潜力。

2、多壁聚碳酸酯板通常通过方格、田字格、蜂窝格等结构将两层或多层板材叠加在一起，各层板材之间形成空腔，有利于隔热、隔声、并提高强度。然而，这种层叠的且带有垂直支撑空腔的透光结构的辐射传输现象较为复杂，外部光源经过该结构时将发生多次反射、折射和吸收，因此如何准确评估多壁聚碳酸酯板的光学特性是一个难题。

3、另外，有研究指出，聚碳酸酯板的实际透射率通常低于制造商所宣称的数值。例如，一种三层双腔聚碳酸酯板据称可见光透射率为88％，但实验室测试的结果显示其法向可见光透光率仅为72％。这表明实际应用中，多壁聚碳酸酯板的透光特性表征仍不够准确，缺乏足够的支撑数据。特别是在对温室、阳光房等透光结构占比较高的建筑进行能耗模拟时，直接使用高估的光学参数可能会给能耗的准确评估带来困难。

4、针对目前多壁聚碳酸酯板光学特性评估的难题，研究者们试图通过实验方式进行探究。当前，用于测试聚碳酸酯板透光性能的实验方法包括以下三种：分光光度计法、大口径积分球法、实地测试法。1)分光光度计法，通常使用分光光度计测量300-2500nm范围内5nm分辨率的能量强度，以测量单层聚碳酸酯板的反射率和透射率，但不适用于复杂透光构件的表征；2)大口径积分球法，使用直径为75厘米的积分球、氙灯、阵列光谱仪和检测器，氙灯作为入射光源，样品设置在中间，阵列光谱仪和检测器根据测试模式放置于积分球内、样本后侧。透射模式下可测定0、30、45、60°角度下的透射率，反射模式则只可测量法相入射的反射率。然而，在角度测定方面仍有许多限制；3)实地测试法，是在外界环境下使用两台全光谱辐射仪，一台测定入射的太阳辐射通量，一台测定经过板材阻挡后的太阳通量，通过比较两者的差异求得板材的透射率。这种测定方式易受外界环境的影响，且太阳光的散射比例难以准确获取，结果误差会较大。

5、根据上述，仅有大口径积分球法在实验测试中可以获得构件较准确的光学表征。然而，该方法的限制也非常明显：1)角度测量受限，分辨率不足，最大入射角不能超过60°；2)不同几何参数的多壁聚碳酸酯板样品试制成本高，且难以保证一致性。进一步设计和优化需要大量样本数据的支撑。因此，需要数值模拟方法来提供更全面的见解。此外，数值模拟还可以提供板材内详细的物理场分布，以详细分析机制；更可以灵活的改变参数，以需求更佳的设计方案。经过对现有技术的检索，尚未有针对多壁聚碳酸酯板光学特性的数值模拟方法专利。对于聚碳酸酯板内物理场的描述，特别是辐射场，以及对应的数值模拟方法，仍需要提出。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种确定多壁聚碳酸酯板透光结构光学特性的数值模拟方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种确定多壁聚碳酸酯板透光结构光学特性的数值模拟，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，建立聚碳酸酯板辐射场仿真有限元模型；

4、步骤2，对聚碳酸酯板辐射场仿真有限元模型进行网格划分；

5、步骤3，定义聚碳酸酯板材料的光学属性以及所求解辐射场的边界条件；

6、步骤4，确定辐射传输方程的形式，设定离散辐射模型参数，利用求解器求解辐射传输方程，得到模拟结果；

7、步骤5，进行模拟结果的后处理，求得多壁聚碳酸酯板的透射率、反射率和吸收率。

8、进一步地，步骤1所述建立聚碳酸酯板辐射场仿真有限元模型，具体包括：

9、步骤1-1，绘制单个多壁聚碳酸酯板单元，包括多壁聚碳酸酯板框架和空腔空气；

10、步骤1-2，通过阵列的方式组合多个多壁聚碳酸酯板单元，形成多壁聚碳酸酯板计算域，并在多壁聚碳酸酯板的两侧绘制空气域；

11、步骤1-3，以多壁聚碳酸酯板内壁面交界处的壁面做切分，对计算域进行分块处理，划分成若干子区域，这些子区域之间共享拓扑。

12、进一步地，所述多壁聚碳酸酯板框架包括两侧水平外壁，以及支撑两侧外壁的内壁，所述内壁的厚度小于外壁的厚度。

13、进一步地，步骤1-1中所述多壁聚碳酸酯板框架需以实体的方式绘制。

14、进一步地，步骤2中采用结构化正六面体网格进行划分。

15、进一步地，步骤3中聚碳酸酯板的光学材料属性包括各波段的折射率和吸收系数。

16、进一步地，步骤3中所述边界条件，包括外边界条件和内部边界条件；所述外边界条件包括入射辐射边界条件、出射边界条件和对称边界条件；所述内部边界条件包括板材及空腔内部交界面；上述所有边界均根据不同波段进行设定；所述入射辐射边界条件包括入射辐射强度和入射角度；所述出射边界条件设定为全吸收；所述对称边界条件定义为全反射，以表征相邻单元的外部入射情况；所述板材及空腔内部交界面设定为透明。

17、进一步地，步骤4具体包括：

18、步骤4-1，确定辐射传输方程形式和离散方法

19、(1)对于某特定波段λi，所述辐射传输方程为：

20、

21、该方程从左至右每一项分别表示入射辐射强度、吸收和散射引起的辐射损耗、吸收辐射和组合散射辐射的变化率；

22、式中，是吸收系数，是散射系数，为折射率，σs为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ω′是立体角；是散射相位函数，代表从某方向散射到方向的概率；下标i是对应波段的序号；是波段λi中位置上每个方向的总辐射强度，是波段λi中位置上每个方向的总辐射强度；

23、所有波段位置上每个方向的总辐射强度为：

24、

25、式中，δλi是波段λi占所有波段的能量比例；

26、(2)离散化方法采用角离散化方法

27、步骤4-2，基于角离散化方法，利用求解器求解辐射传输方程，并在辐射变量的残差达到10e-4后停止计算。

28、进一步地，步骤4-1中，对于介质a和介质b两个半透明介质的交界面处，反射、透射的能量比例与介质a和介质b的折射率和入射角有关；

29、在交界面处的反射辐射有漫反射和镜面反射两种情况；设定介质a的折射率大于介质b的折射率，当辐射从介质a向介质b传播时，反射辐射的能量比例表示为：

30、

31、其中，na和nb分别是介质a和介质b的折射率；入射角θa和折射角θb分别由斯涅尔定律给出：

32、sinθb＝na/nbsinθa

33、当辐射从介质b向介质a传播时，存在布儒斯特角θc，当入射角大于θc时，会发生全反射，即透射率为0。

34、进一步地，步骤5所述进行模拟结果的后处理，求得多壁聚碳酸酯板的透射率、反射率和吸收率，具体包括：

35、通过表面积分量后处理得到透射辐射、反射辐射和吸收辐射，这里定义如下两个表面：

36、表面1：多壁聚碳酸酯板最上层的表面，直接与外界环境接触；

37、表面2：多壁聚碳酸酯板最下层的表面，直接与室内环境接触；

38、区分所述表面1、表面2对应不同法向方向的积分值；定义+z为指向外界环境方向，-z为指向室内环境方向；

39、(1)透射率、反射率和吸收率通过上述表面和对应法向方向的透射辐射和反射辐射积分值的比值获得；

40、对于波段λi，透射率ti由下式获得：

41、

42、其中，qi,in是波段λi的总入射辐射，其值由表面1的入射辐射和表面1的一次反射辐射组成；表面1的入射辐射为表面1沿-z方向的透射辐射通量表面1的一次反射辐射为表面1沿+z方向的反射辐射通量因此有：

43、

44、qi,out是波段λi的透射辐射，该值由表面2的透射辐射决定；

45、(2)对于波段λi，反射率ri通过总反射辐射和总入射辐射的比值获得，即：

46、

47、其中，qi,re是波段λi的总反射辐射，其值由表面1的二次反射辐射和表面1的一次反射辐射组成；其中表面1的二次反射辐射为表面1沿+z方向的透射辐射通量即：

48、

49、(3)通过下式得到吸收率ai：

50、ai＝1-ti-ri。

51、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

52、(1)本方法基于数值模拟方法，可预测多种参数的多壁聚碳酸酯板的辐射场，进而可以得到与角度相关的透射率等参数。相比之下，实验需要依赖于昂贵的实验器材，且样品难以保证统一性。本数值模拟相比于实验方法，成本低，计算精度高。

53、(2)本方法是基于三维模拟进行的，而多壁聚碳酸酯板在三维内的特征是各项异性，因此本方法可以准确预测多壁聚碳酸酯板在高度角、方位角两个维度下的角度依赖性，解决了目前角度依赖性仅考虑高度角的限制。

54、(3)本方法可以方便的调用参数化，对多壁聚碳酸酯板的几何参数、光学参数可以进行进一步分析。后续可以将多壁聚碳酸酯板作为框架，在空腔内部填充相变材料、气凝胶材料等热点研究材料，进一步扩大多壁聚碳酸酯板的应用空间。

55、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。