Determination of Thermal Properties of Pavement Structures by Inverse Method

Cilj ovog rada je razvoj numeričkog modela za izračun distribucije temperature u kolničkim konstrukcijama s obzirom na mjerene meteorološke podatke uz uvođenje nelinearnog koeficijenta prijenosa topline koji je funkcija temperaturne razlike kolnika i okolnog zraka. Prednost ovog modela je što isti izračunava toplinsko zračenje kolnika (toplinu vraćenu u okolni zrak) što je u važan dio procesa prijenosa topline kod „otvorenih“ prostora. Tijekom perioda 2011. – 2012. godine vršena su preliminarna mjerenja temperatura površina različitih tipova površina kolnika uz praćenje meteoroloških parametara u svrhu utvrđivanja vrsta materijala koji doprinose nepovoljnim toplinskim uvjetima u gradovima. Zatim, tijekom perioda 2013. – 2015. godine provedena su mjerenja temperatura površina asfaltnih kolnika koji su se u preliminarnim mjerenjima pokazali kao nepovoljni, a u velikoj mjeri su prisutni u gradovima. Mjerenja su obuhvatila i mjerenja sunčevog zračenja i meteoroloških parametara. Mjerenja su vršena u svrhu validacije i kalibracije parametara modela. Numerički model temelji se na nestacionarnoj diferencijalnoj jednadžbi diskretiziranoj metodom konačnih elemenata sa posebnim konačnim elementom toplinskog toka prema tlu. U radu je dokazano da je nelinearni koeficijent konvektivnog prijenosa topline, koji je ovisan o vremenu i temperaturnoj razlici kolnika i okolnog zraka, neophodan za opis ovakvog problema. Razvijeni model uključuje kalibraciju koeficijenta konvektivnog prijenosa topline s obzirom na lokalne meteorološke uvjete inverznim iterativnim postupkom.The aim of this paper is to develop a numerical model for calculating the temperature distribution in pavement structures with according to the measured meteorological data, with the introduction of a non-linear heat transfer coefficient which is a function of temperature difference between pavement and ambient air. Developed model calculates heat radiated from the pavement back in the air, which is an important part of the heat transfer process in the open air surfaces. During the period 2011-2012, preliminary measurements of surface temperatures (different types of pavement materials) were performed with monitoring of meteorological parameters, in terms of determining the types of materials that contribute to the increased temperatures in cities. During the period 2013-2015, the temperature of the asphalt surfaces, solar radiation and meteorological parameters were measured. The measurement was performed for the purpose of validation and calibration of model parameters. The mathematical model is based on a nonstationary differential equation, discretized by use of finite element method with a special finite element for heat flux towards the soil. It is proved that a nonlinear heat transfer, coefficient, which is a function of time and temperature difference between the pavement and the surrounding air, is necessary to describe this phenomena. The developed model includes heat transfer coefficient calibration for specific local conditions through the iterative inverse procedure