特種方艙傳熱系數(shù)的計算及優(yōu)化研究

摘要：綜合傳熱系數(shù)是特種方艙總體設(shè)計過程中的一個重要指標(biāo)，對其計算用兩種方法進行。先使用理論方法計算，在完成方艙分區(qū)結(jié)構(gòu)三維模型后；再使用計算機仿真計算方法進行復(fù)核；最終得出方艙的綜合傳熱系數(shù)。通過分析得出兩種計算結(jié)果的區(qū)別，其主要原因在于端墻、艙頂?shù)热S模型細(xì)化后的仿真計算更接近實際狀態(tài)；同時提出方艙后續(xù)改善綜合傳熱系數(shù)的重點方向在于艙頂與側(cè)墻等熱流值較大的結(jié)構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：方艙；傳熱系數(shù)；設(shè)計過程；優(yōu)化研究

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-09-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.013

1 前言

特種方艙總體設(shè)計包括方艙、環(huán)境保障和供配電方面的設(shè)計。方艙綜合傳熱系數(shù)是受多種因素影響的重要參數(shù)之一。本文根據(jù)某型特種方艙的技術(shù)要求，在方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計初期進行理論模型計算，將方艙結(jié)構(gòu)隔熱層進行簡化，對隔熱橋、窗戶等部件的影響作粗略估算，得到綜合傳熱系數(shù)的參考值后優(yōu)化方艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在完成方艙結(jié)構(gòu)的三維模型后，根據(jù)流體力學(xué)的理論，使用軟件對方艙的結(jié)構(gòu)件進行較準(zhǔn)確的仿真計算。然后與理論模型計算結(jié)果進行比較分析，并根據(jù)需要再次迭代優(yōu)化方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境保障和供配電的選型設(shè)計。

2 計算方法分析

2.1 理論計算方法

分層分區(qū)理論計算方法的原理是，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，將車體分成板壁、地板及門窗等典型結(jié)構(gòu)。再從內(nèi)向外，根據(jù)材料及其厚度的不同進行分層，依據(jù)各自所采用的材料、結(jié)構(gòu)及厚度分別算出各結(jié)構(gòu)的熱阻抗，從而算出傳熱系數(shù)，最后根據(jù)各區(qū)域所占面積進行加權(quán)累加，得到整車的傳熱系數(shù)K值[1]。

在穩(wěn)定情況下，對于組織均勻的方艙壁板（內(nèi)部設(shè)有隔熱橋，內(nèi)外蒙皮間沒有直接連接的金屬構(gòu)件），其傳熱系數(shù)可按多層平壁傳熱公式來計算：

式中，[aH]、[aB]分別為艙體內(nèi)外壁表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[δi]、[δ]分別為各層材料的厚度及總厚度，m；[n]為層數(shù)；[λi]為各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[λE]為整個方艙壁板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

分別計算出各區(qū)域的傳熱系數(shù)后，可按下式求出整個方艙的綜合傳熱系數(shù)K：

式中，[Fi]為第i個方艙壁板的面積，m2；[Ki]為第i個方艙壁板的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

對于方艙結(jié)構(gòu)中所包含的類似于窗戶、門等特殊結(jié)構(gòu)件，它們的內(nèi)外層之間可能存在各種形式的金屬連接，形成熱橋。因此在式（1）中計算方艙各板壁的傳熱系數(shù)時，剔除門、窗等的面積，取其傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值作為參考依據(jù)，在式（2）中作為單獨結(jié)構(gòu)件來計算。

2.2 仿真計算方法

ANSYS軟件是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)[2]。ANSYS有限元法既吸收了古典變分近似解析法即泛函求極值的基本原理，又采用了有限差分的離散化處理方法，突出了單元的作用和各單元的相互影響，計算精度也提高了很多[3]。熱量傳遞可分成3種基本傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射[4]。結(jié)合傳熱理論和方艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點，本案例中的方艙傳熱系數(shù)計算包含有限空間的自然對流三維導(dǎo)熱問題，或者純導(dǎo)熱問題，因此采用SIMPLE算法及其修正算法。

根據(jù)材料的熱物性參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)），應(yīng)用FLUENT軟件計算出熱量[?]，從而得到每個單元的K值。

由以下公式可得各部位等效傳熱系數(shù)：

式中，[?i]為艙體各部件熱流值，W；[Fi]為艙體各部件的面積，m2；[?t]為艙體內(nèi)外側(cè)空氣溫差，K；[Ki]為艙體各部件傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

計算得出艙體各部件的傳熱系數(shù)后，再使用式（2）計算出整個方艙的綜合傳熱系數(shù)。

2.3 傳熱單元分區(qū)

艙體根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點分為9個區(qū)域：艙頂1和2、側(cè)墻1和2、地板1和2、艙門、維修門、端墻1和2，部分單元分區(qū)見圖1所示。

2.4 邊界條件設(shè)置

考慮到計算結(jié)果在工程實際的環(huán)境工況和應(yīng)用意義，本文僅研究傳熱過程的穩(wěn)態(tài)工況。為了更好地表征不同材料層在傳熱計算時的溫度關(guān)系，也便于仿真計算的可實現(xiàn)性，建立車體物理模型之前作如下假設(shè)：

a.整個艙體看作由多層材料組成的三維傳熱結(jié)構(gòu)。

b.方艙內(nèi)環(huán)境溫度取305.65 K，對流傳熱系數(shù)為8W/（m2·K）；方艙外環(huán)境溫度取280.65 K，與外環(huán)境接觸處的壁面對流傳熱系數(shù)為16 W/（m2·K），方艙內(nèi)外溫差為25 K。

c.方艙內(nèi)部保溫層材料的材質(zhì)均勻，其導(dǎo)熱系數(shù)在溫差較小的傳熱環(huán)境下為定值。

d.方艙結(jié)構(gòu)蒙皮與保溫層之間接觸緊密結(jié)實，接觸熱阻忽略不計。

e.方艙內(nèi)部無熱源。

f.未考慮走線、走管等小型孔口，小金屬零件，以及對傳熱系數(shù)的影響。

2.5 其他結(jié)構(gòu)件參數(shù)

方艙上安裝有玻璃窗、進出門和維修門等結(jié)構(gòu)件，經(jīng)查詢相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，玻璃窗的傳熱系數(shù)為3.12 W/（m2·K），進出門和維修門的傳熱系數(shù)為5.3 W/（m2·K），此經(jīng)驗值可用于理論計算中參考。

3 理論計算

根據(jù)方艙主要結(jié)構(gòu)件的分區(qū)和結(jié)構(gòu)特點，分別核算其分層材料的導(dǎo)熱系數(shù)[λi]，計算每個主要結(jié)構(gòu)件的熱阻值[δλE]。根據(jù)設(shè)定的方艙內(nèi)表面對流傳熱系數(shù)和與外環(huán)境接觸處的壁面對流傳熱系數(shù)，得出內(nèi)外表面熱阻值分別為0.125（m2·K）/W和0.062 5（m2·K）/W。

根據(jù)式（1），核算分區(qū)結(jié)構(gòu)件的總熱阻和總傳熱系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)式（2），將各分區(qū)面積、傳熱系數(shù)綜合計算，合并考慮前述玻璃窗和進出門的經(jīng)驗傳熱系數(shù)，得到方艙的總體綜合傳熱系數(shù)為0.514 7 W/（m2·K），具體數(shù)據(jù)如表2所示。

4 仿真計算

根據(jù)方艙的主要分區(qū)結(jié)構(gòu)件的特點，進行結(jié)構(gòu)建模以及網(wǎng)格劃分，邊界處進行加密處理。在穩(wěn)態(tài)傳熱工況下，對各分區(qū)結(jié)構(gòu)件的模型進行傳熱仿真模擬計算，計算得到的溫度分布云圖見圖3。

匯總計算得到的方艙主體部分基礎(chǔ)熱流值如表3所示。

根據(jù)式（1），計算車體綜合傳熱系數(shù)為：

5 分析與結(jié)論

使用理論計算方法與仿真計算方法在不同設(shè)計階段對方艙的綜合傳熱系數(shù)K值進行了計算，分別為0.5147 W/（m2·K）和0.4777 W/（m2·K），兩者相差約8%，具體區(qū)別如表4所示。

兩種計算方法依據(jù)的結(jié)構(gòu)分區(qū)面積均一致，綜合傳熱系數(shù)計算結(jié)果稍有不同的原因有兩點：a.后期仿真計算的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與初期設(shè)計方案不同；b.理論計算中的車門、窗戶等部件采用了傳熱系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，與實際結(jié)構(gòu)不完全相符。

本文案例在經(jīng)過理論計算指導(dǎo)，仿真計算復(fù)核后，所得到的方艙綜合傳熱系數(shù)置信度高，可以作為后續(xù)空調(diào)制冷制熱負(fù)荷計算的參考輸入。同時，也可用于指導(dǎo)方艙的后續(xù)詳細(xì)設(shè)計，從車門、端墻、窗戶等傳熱系數(shù)較高的部件繼續(xù)優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，從艙頂、側(cè)墻等熱流占比較高的部件優(yōu)化隔熱材料或厚度等設(shè)計。

參考文獻：

[1]胡翔云.車體隔熱壁傳熱系數(shù)計算方法的分析比較[J].鐵道車輛，1964（4）：8-15.

[2]沈祖鋒.基于Ansys的熱流計法墻體傳熱系數(shù)檢測的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[3]杜玉峰.客車車體隔熱壁熱工性能研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[4]丁華，李晨，王海軍.軍用方艙傳熱系數(shù)值的計算及優(yōu)化研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2019，40（7）：25-29.

作者簡介：

毛子夏，男，1982年生，高級工程師，研究方向為專用特種車輛。