基于ANSYS的高速客車(chē)車(chē)頂穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場(chǎng)分析

臧國(guó)群，何忠韜，丁立利

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

高速列車(chē)車(chē)廂內(nèi)的熱流密度和溫度分布狀況與車(chē)廂體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特性有著密切的關(guān)系，因此車(chē)室內(nèi)空氣的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布情況直接受車(chē)廂體熱工特性的影響。車(chē)廂體的傳熱是通過(guò)車(chē)頂、車(chē)底、側(cè)墻、端墻4個(gè)部分進(jìn)行的。因此結(jié)合高速客車(chē)的具體設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)車(chē)頂進(jìn)行傳熱分析，是進(jìn)行客車(chē)車(chē)體隔熱壁熱工性能研究的根本環(huán)節(jié)，在分析出車(chē)頂傳熱特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采用有效防護(hù)措施來(lái)提高客車(chē)的保溫隔熱性能，降低通過(guò)高速客車(chē)車(chē)廂體的能量耗散損失，并為準(zhǔn)確計(jì)算車(chē)室內(nèi)冷熱負(fù)荷提供依據(jù)。

1 ANSYS熱分析的基本理論

1.1 ANSYS熱分析的基本原理

ANSYS進(jìn)行熱分析的基本原理是：首先將對(duì)象劃分為有限個(gè)單元（包括若干個(gè)節(jié)點(diǎn)），然后運(yùn)用能量守恒原理求解在一定初始條件和邊界條件下的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，根據(jù)求解平衡方程得出的各節(jié)點(diǎn)溫度，進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量。

對(duì)于一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的流入或流出的封閉系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒定律有：

其中：Q為熱量；W 為做功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動(dòng)能；ΔPE為系統(tǒng)勢(shì)能。對(duì)于大多數(shù)工程的傳熱問(wèn)題ΔKE＋ΔPE＝0，當(dāng)不考慮做功，即W＝0時(shí)，Q＝ΔU。在穩(wěn)態(tài)熱分析情況下Q＝ΔU＝0，即流入和流出系統(tǒng)的熱量相等。

1.2 穩(wěn)態(tài)傳熱原理

凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間改變的傳熱過(guò)程均稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)傳熱，即當(dāng)系統(tǒng)的凈熱流率為0時(shí)，系統(tǒng)就處于熱穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為：

其中：［K］為傳導(dǎo)矩陣，包含對(duì)流系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及輻射率和形狀參數(shù)；｛T｝為節(jié)點(diǎn)溫度向量；｛Q｝為節(jié)點(diǎn)熱流向量，包含熱生成。ANSYS綜合運(yùn)用所建模型的參數(shù)、添加材料的熱性能參數(shù)以及各類(lèi)邊界條件，生成參數(shù)［K］、｛T｝和｛Q｝。

2 CRH5車(chē)頂傳熱分析

2.1 車(chē)頂結(jié)構(gòu)

CRH5車(chē)頂由端頂、車(chē)頂型材、蓋板、車(chē)頂焊接件組成。其中，車(chē)頂型材由縱向放置的4種共7塊擠壓型材對(duì)稱(chēng)排列、組焊而成。車(chē)頂斷面圖如圖1所示。

圖1 車(chē)頂斷面圖

2.2 進(jìn)行分析的假設(shè)條件

本文采用高級(jí)有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，列出以下幾點(diǎn)假設(shè)條件：①車(chē)頂內(nèi)部各種材料相互密接，且接觸部分的溫度相同；②鋁合金車(chē)體、隔熱材料及內(nèi)板為各向同性，并具有單一的導(dǎo)熱系數(shù)；③對(duì)于車(chē)頂內(nèi)側(cè)和外兩側(cè)對(duì)流的放熱系數(shù)，在運(yùn)算過(guò)程中取某一特定狀態(tài)下的值，不考慮列車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)放熱系數(shù)的影響；④不考慮隔熱壁內(nèi)、外兩側(cè)的小金屬零件對(duì)傳熱系數(shù)的影響；⑤不考慮輻射換熱邊界條件對(duì)分析產(chǎn)生的影響；⑥不考慮車(chē)頂與側(cè)墻連接部分對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

2.3 邊界條件

依據(jù)假設(shè)條件，車(chē)頂傳熱分析可歸納為基本的熱量傳遞方式：熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱。

2.3.1 熱傳導(dǎo)

車(chē)頂內(nèi)部的熱量流動(dòng)主要是通過(guò)材料的導(dǎo)熱性能完成的，熱傳導(dǎo)過(guò)程遵循傅立葉導(dǎo)熱定律：

其中：q為熱流密度，W／m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；t為溫度，K；x為在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，m；負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

2.3.2 對(duì)流換熱

列車(chē)隔熱壁內(nèi)表面與車(chē)內(nèi)空氣、外表面與外界空氣均存在著對(duì)流換熱現(xiàn)象，車(chē)頂內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的對(duì)流換熱系數(shù)在計(jì)算過(guò)程中取一特定狀態(tài)下的值，不考慮運(yùn)行對(duì)換熱系數(shù)的影響。

3 建立有限元模型

3.1 CRH5車(chē)頂建模分析

本文的研究重點(diǎn)是車(chē)頂?shù)膫鳠嵝Ч?，因此在建模?jì)算的過(guò)程中僅考慮起到車(chē)內(nèi)外熱傳導(dǎo)作用的結(jié)構(gòu)，影響較小的車(chē)頂?shù)钠渌Y(jié)構(gòu)予以忽略。簡(jiǎn)化后的車(chē)頂示意圖如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的車(chē)頂示意圖

3.2 CRH5車(chē)頂熱分析物理性能參數(shù)的確定

溫度場(chǎng)模擬需要定義的材料熱物理性能參數(shù)主要有導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱容和密度等，本文在利用ANSYS定義材料屬性時(shí)只需要定義車(chē)頂各組成材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

車(chē)頂鋁合金在夏季溫度35℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為152 W／（m·K）。保溫材料由厚度為70 mm的高性能保溫纖維棉和厚度為20 mm的用于排除冷凝水的通風(fēng)膜組成，其綜合導(dǎo)熱系數(shù)為0.004 59 W／（m·K）。內(nèi)板為厚度10 mm的鋁蜂窩復(fù)合板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.130 W／（m·K）。

3.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS主要有自由劃分和映射劃分兩種網(wǎng)格劃分方法。本文設(shè)計(jì)模型采用自由網(wǎng)格劃分的方法，劃分后得到四邊形和三角形兩種單元，共79 095個(gè)單元，311 198個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后的車(chē)頂有限元模型

3.4 施加載荷約束并求解

在該模型的熱分析過(guò)程中需要加載的熱載荷和邊界條件主要包括溫度和對(duì)流條件。取夏季室外溫度為35℃，室內(nèi)溫度為25℃來(lái)施加并求解。

對(duì)流是一種面載荷，施加在實(shí)體表面。根據(jù)高速鋁合金車(chē)體隔熱壁設(shè)計(jì)原理及相關(guān)文獻(xiàn)查得外表面對(duì)流換熱系數(shù)為16.268 W／（m2·K），車(chē)內(nèi)空氣與內(nèi)板對(duì)流換熱系數(shù)為9.296 W／（m2·K）。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 模擬結(jié)果

根據(jù)前面建立的有限元模型和確定的邊界條件，利用ANSYS14.0對(duì)車(chē)頂進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到了車(chē)頂?shù)臏囟葓?chǎng)分布，如圖4所示。

圖4 車(chē)頂溫度場(chǎng)分布等值線(xiàn)圖

由圖4可以看出，從車(chē)頂鋁合金（溫度最高）到內(nèi)板溫度逐漸降低，而在靠近鋁合金一側(cè)區(qū)域溫度基本保持不變，這是由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大，導(dǎo)熱性能好，中間隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，隔熱效果好，溫度發(fā)生了變化。進(jìn)一步分析可以得到熱流密度分布圖和熱流密度矢量圖，如圖5、圖6所示。

圖5 熱流密度分布圖

圖6 熱流密度矢量圖

圖5、圖6顯示車(chē)體鋁合金部分由于其導(dǎo)熱系數(shù)較大，且存在外界空氣與其表面的對(duì)流換熱，致使熱流密度變化明顯。

4.2 提高質(zhì)量

利用ANSYS可以插入一個(gè)基于熱通量的誤差結(jié)果，幫助確定高誤差的區(qū)域，如圖7所示。通過(guò)這些區(qū)域顯示，模型通過(guò)在吸震材料上以及隔熱材料內(nèi)板之間部分進(jìn)行加密網(wǎng)格，可以提高結(jié)果的質(zhì)量。

圖7 誤差結(jié)果分布示意圖

5 結(jié)論

本文將ANSYS軟件運(yùn)用于車(chē)頂穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場(chǎng)分析，通過(guò)對(duì)車(chē)頂施加導(dǎo)熱、對(duì)流邊界條件能夠模擬出符合實(shí)際情況的車(chē)頂溫度變化規(guī)律，得出熱量在傳遞過(guò)程中由于車(chē)頂隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，在車(chē)內(nèi)外溫差與傳熱面積相同的情況下，通過(guò)的熱量越小，隔熱效果越好。故對(duì)高速客車(chē)車(chē)頂穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場(chǎng)的深入研究，是進(jìn)行客車(chē)車(chē)體隔熱壁熱工性能研究的根本環(huán)節(jié)，能為提高高速客車(chē)隔熱保溫性能提供參考數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

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