本发明属于光热性能优化，特别是涉及一种基于气凝胶微观结构的光热性能优化方法。
背景技术：
1、随着全球对能源效率和环境保护需求的不断增加，建筑节能和绿色建筑材料的研发已成为现代建筑行业的重要发展方向。全球对能源效率的关注日益加剧，尤其是在建筑领域，约40％的能源消耗来自于建筑供暖和制冷系统。因此，采用高性能隔热材料如气凝胶，可以显著降低建筑能耗，为节能减排目标的实现做出贡献。气凝胶在建筑外墙、窗户以及屋顶等部位的应用需求日益增长，其中气凝胶玻璃作为一种具有优异隔热性能和透光性的材料，展现出广泛的市场前景。特别是在双层玻璃、三层玻璃等节能窗户系统中，填充气凝胶可以大幅提高窗户的热阻，减少热量流失和热量进入，从而有效降低建筑的空调和供暖能耗。鉴于气凝胶材料在提升建筑能效、促进绿色建筑材料发展以及满足多行业高效隔热需求方面的独特优势，本发明旨在通过进一步优化气凝胶的微观结构，提升其光热性能，以满足市场对高性能隔热材料日益增长的需求，推动建筑节能、特殊高效绝热材料和绿色环保产业的快速发展。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提出了一种基于气凝胶微观结构的光热性能优化方法，旨在通过进一步优化气凝胶的微观结构，提升其光热性能，以满足市场对高性能隔热材料日益增长的需求，推动建筑节能、特殊高效绝热材料和绿色环保产业的快速发展。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于气凝胶微观结构的光热性能优化方法，包括如下步骤：
3、s1、建立气凝胶的微观多孔结构：基于四参数随机生长模型构建相应尺寸的气凝胶二维多孔结构，该模型的四个参数包括核心分布概率cd、方向增长概率di、生成结构的孔隙率p和交互生长概率n。
4、因为气凝胶多孔结构仅由二氧化硅颗粒和空气组成，即固相和气相两相，所以交互增长概率可以忽略不计。在模型中，先给定cd生成初始的气凝胶核心分布，再根据di向周围8个方向(即四个顶点、四个边缘)增长。通过改变核心分布概率cd、方向增长概率d边缘、d顶点的参数值，可以得到不同的气凝胶多孔结构。
5、s2、模拟板状气凝胶对太阳辐射的吸收和散射特性：基于蒙特卡洛方法来模拟板状气凝胶的透过率，计算气凝胶的太阳辐射消光系数，具体步骤如下，
6、s21、在气凝胶的多孔结构中随机发射一束具有矢量性的辐射，判断辐射是否与气凝胶边界或二氧化硅微粒碰撞，若与气凝胶边界发生碰撞，辐射溢出并重新发射。
7、若与二氧化硅微粒碰撞，则根据随机数rnd与材料的透过率、散射率和吸收率进行比较，
8、其中0≤rnd≤1。
9、s22、统计透过和吸收的辐射数量，并计算气凝胶的光谱平均透过率和太阳辐射消光系数。
10、s3、基于格子玻尔兹曼模型模拟气凝胶的热传递过程，并计算气凝胶的导热系数：具体步骤如下，
11、s31、基于二维九速d2q9格子玻尔兹曼模型求解气凝胶的温度分布函数和热通量。
12、s32、最后根据傅里叶导热定律计算板状气凝胶的导热系数。
13、s4、构建动态传热模型，模拟气凝胶玻璃在实际环境下的能耗性能，具体包括如下步骤，
14、s41、将气凝胶填充于双层玻璃之间，形成气凝胶玻璃。
15、s42、结合玻璃两侧与外界环境之间的对流换热、长波辐射换热、玻璃层之间的导热传递以及玻璃吸收太阳辐射后所产生的热量构建动态传热微分方程。
16、s43、通过计算气凝胶玻璃的室内得热量，评估其在不同环境条件下的热性能。
17、s5、基于上述模拟结果，优化气凝胶的微观结构，以提高其光热性能和能效。
18、进一步地，s22中，气凝胶的光谱平均透过率的计算公式为：
19、
20、其中θ为光谱透过率；τ表示波长，范围为300-2500nm；e为太阳辐射强度，w/m2。
21、进一步地，根据布尔定律得出气凝胶的太阳辐射消光系数ω，具体计算公式为：
22、ω＝-lnθ/s
23、其中，s为气凝胶的光路长度，单位为nm。
24、进一步地，s3中，气凝胶的热传递过程中，气凝胶多孔结构的热传导能量方程为：
25、
26、其中，ε是密度，kg/m3；cp是比热容，j/(kg·k)；t表示t时刻(m，n)位置处的温度，℃；γ是介质的导热系数，w/(m·k)；下标q表示气体；下标e表示固体；
27、温度演变方程为：
28、
29、其中，ga是温度分布函数；是平衡分布函数；
30、μ是无量纲弛豫时间，由各自相的导热系数来决定，具体如下：
31、
32、其中，ba表示离散速度，具体的，
33、
34、得到格子玻尔兹曼的微分方程形式：
35、
36、由于热传递仅通过热扩散进行，所以平衡分布函数可由下式表达：
37、
38、其中xa表示权重因子：
39、
40、随后根据如下公式计算温度t和热通量：
41、t＝∑aga
42、
43、进一步地，根据傅里叶导热定律计算板状气凝胶的导热系数，具体公式如下：
44、
45、其中，式中，λ为板状气凝胶的导热系数，w/(m·k)；δ为热传导的距离；δt表示冷面和热面的温差；a是热量通过气凝胶横截面的面积。
46、进一步地，s5中，调整气凝胶的孔隙分布和粒径，以优化其太阳辐射消光系数和导热系数。
47、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
48、1、本发明采用四参数随机生长法构建气凝胶的微观结构模型。通过调整核心分布概率(cd)、方向增长概率(d边缘、d顶点)等参数，生成不同孔隙分布和粒径的气凝胶结构。
49、光学性能模拟：基于蒙特卡洛方法模拟气凝胶对太阳辐射的吸收和散射特性，计算消光系数、透过率和吸收率。
50、热传递性能模拟：基于格子玻尔兹曼模型(lbm)模拟气凝胶的热传递过程，计算导热系数。
51、通过结合四参数随机生长法、蒙特卡洛方法和格子玻尔兹曼模型，实现气凝胶微观结构、光学性能和热传递性能的多尺度模拟。该方法显著提高了计算速度与准确度，为气凝胶光热性能的优化提供了全方位的理论支持。
52、2、本发明将气凝胶填充于双层玻璃之间，构建气凝胶玻璃的动态传热模型。综合考虑辐射、对流和导热等多种热传递机制，模拟气凝胶玻璃在实际环境下的能耗性能。通过引入动态传热模型，综合考虑辐射、对流和导热等多种热传递机制，精确评估气凝胶玻璃的能效，尤其是在动态环境变化下的表现，从而全面评估气凝胶玻璃在实际环境下的能耗性能。
53、3、本发明通过优化气凝胶的光热性能，显著提高建筑围护结构的能效水平。为绿色建筑和节能改造提供技术支撑，有助于减少空调和采暖系统的能耗。