軍用方艙傳熱系數(shù)值的計(jì)算及優(yōu)化研究

丁 華，李 晨，王海軍

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.蘇州江南航天機(jī)電工業(yè)有限公司， 江蘇 蘇州 215300)

軍用方艙是裝載軍事設(shè)備和人員并提供所需要的工作條件和環(huán)境防護(hù)的廂體，具有較高的機(jī)動(dòng)性能。在執(zhí)行任務(wù)期間，操作人員需要長(zhǎng)時(shí)間在方艙的密閉環(huán)境中工作，方艙的保溫性能影響操作人員的熱舒適性，關(guān)系軍事任務(wù)的執(zhí)行效率；當(dāng)艙外空氣溫度有強(qiáng)烈波動(dòng)，要求艙壁能夠減小艙內(nèi)空氣及內(nèi)表面的溫度波動(dòng)；總的來說，提高艙體的保溫特性顯得尤為關(guān)鍵。傳熱系數(shù)值是衡量方艙等隔熱廂體保溫性能的重要參數(shù)，方艙的結(jié)構(gòu)和材料都影響著傳熱系數(shù)值。

方艙的傳熱系數(shù)值大多采用實(shí)驗(yàn)[1]的方法測(cè)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)定設(shè)備及程序復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)且成本較高。隨著計(jì)算傳熱學(xué)的發(fā)展，傳熱分析方面不斷出現(xiàn)較成熟的商用仿真軟件，相比實(shí)驗(yàn)的方法，仿真計(jì)算速度快，節(jié)約成本又提高效率。M.Schuster[2]借助CFD軟件模擬了鐵路車輛艙壁的熱傳遞，介紹了數(shù)值方法對(duì)軌道車輛內(nèi)部傳熱情況的預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的適用性與高效率。羅繼華等[3]通過空氣焓值的變化來確定隔熱壁傳遞的熱量，并用ANSYS軟件仿真分析了客車內(nèi)空氣溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，但是用空氣焓值來確定傳熱量的準(zhǔn)確性略顯不足，且方艙實(shí)際結(jié)構(gòu)比客車更為復(fù)雜，故不適宜借助空氣焓值來求解方艙的傳熱量。熊華生[4]對(duì)動(dòng)車組車廂各側(cè)墻分別進(jìn)行二維平壁隔熱仿真研究，并分析冷橋部件對(duì)整車傳熱系數(shù)值的影響，但二維模型較三維模型相對(duì)單一，精確度略顯不足。方艙構(gòu)建繁多，對(duì)方艙整體進(jìn)行有限元處理工作量大，總的來看對(duì)方艙整體進(jìn)行三維傳熱研究的較少。

將方艙整體分割成幾部分三維艙壁模型，對(duì)熱量在每部分艙壁中的三維流動(dòng)狀況進(jìn)行仿真與分析，得出每部分傳熱系數(shù)值，再運(yùn)用等效面積法計(jì)算方艙整體傳熱系數(shù)值。改變艙板的結(jié)構(gòu)、材料及空間布局，得出各種狀態(tài)下方艙傳熱系數(shù)值以及各因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響，為方艙的熱工性能設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 傳熱理論概述

結(jié)合傳熱理論和方艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熱量傳遞可分成以下3種基本傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射。方艙在室外高溫的環(huán)境下，傳熱過程如下：在艙內(nèi)外的溫度差作用下，艙外空氣通過熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流的方式以及太陽的熱輻射，將熱量傳至艙壁外表面，艙壁外表面經(jīng)過復(fù)合層，熱傳導(dǎo)至艙壁內(nèi)表面，最后從艙壁內(nèi)表面?zhèn)髦僚搩?nèi)低溫空氣，此外艙體內(nèi)表面還與艙內(nèi)空氣存在熱對(duì)流。

仿真過程中用到的艙體內(nèi)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)值，采用經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

αw=7.34u0.656+3.78e-1.91u

(1)

αn=3.49+3.78Δt

(2)

其中，u為空氣掠過艙體外表面的速度(m/s)；Δt為艙體內(nèi)表面與艙內(nèi)空氣溫度差(K)。

對(duì)靜止艙體，參照上述公式，內(nèi)表面換熱系數(shù)取 8 W/(m2·K)，外表面換熱系數(shù)取11 W/(m2·K)。

采用的計(jì)算方案是將方艙整體拆分成幾大部分艙板，然后根據(jù)每部分艙體的傳熱系數(shù)值求得整車的傳熱系數(shù)值。傳熱系數(shù)值等效計(jì)算公式[4]如下：

(3)

2 仿真計(jì)算

2.1 幾何模型

方艙實(shí)體三維模型如圖1所示，方艙模型雖復(fù)雜但結(jié)構(gòu)分明，由幾大塊帶有骨架、內(nèi)芯及蒙皮等組成的復(fù)合板所構(gòu)成。運(yùn)用三維建模軟件對(duì)方艙的各角件、鉸鏈、螺栓等連接件及各倒角進(jìn)行了簡(jiǎn)化，按照?qǐng)D1的坐標(biāo)系及視角，將其簡(jiǎn)化劃分為前板、后板、左板、右板、頂板、底板、門板、肋板和其他板，共計(jì)9部分。

圖1 軍用方艙實(shí)體模型

此外，每部分艙板均有幾層復(fù)合結(jié)構(gòu)，底板由4層復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，除底板外均由5層復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，底板比其他艙板少一層隔熱板，以垂直于艙板平面的部分截面表示，除底板艙板外，各層結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 除底板外艙板各層結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)外蒙皮采用不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m·K)；空心骨架采用鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為177 W/(m·K)；隔熱板采用膠合板，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W/(m·K)；內(nèi)芯采用聚氨酯泡沫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K)。

2.2 傳熱模型

熱量由艙內(nèi)高溫空氣通過熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流的方式，傳至艙壁內(nèi)表面，再由艙壁內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)至艙壁外表面，最后從艙壁外表面?zhèn)髦僚撏獾蜏乜諝?，此外艙體外表面還向大氣中輻射熱量。仿真計(jì)算時(shí)，將實(shí)際的熱對(duì)流傳導(dǎo)方式簡(jiǎn)化為艙板的內(nèi)外表面添加表面換熱系數(shù)。

用HyperMesh軟件劃分艙板結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且均為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5 mm，六面體單元數(shù)共為22 745 544，合計(jì)單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 080 211。

2.3 參數(shù)設(shè)置

用ANSYS軟件中的FLUENT模塊[6]進(jìn)行仿真求解，需打開能量方程和輻射方程；各部分的材料參數(shù)按照表1設(shè)定，流體介質(zhì)選用不可壓縮的空氣，并設(shè)置重力加速度；內(nèi)壁面表面溫度為20 ℃，換熱系數(shù)為8 W/(m2·K)，外壁面表面溫度為-35 ℃，換熱系數(shù)為11 W/(m2·K)，除這兩個(gè)壁面外均設(shè)置為絕熱壁面；分離求解器選用SIMPLEC格式；設(shè)置解算器求解迭代步數(shù)為500步，松弛因子壓力項(xiàng)和動(dòng)量項(xiàng)分別采用0.3和0.7，收斂容差為1×10-7。

2.4 仿真結(jié)果

按照上述參數(shù)設(shè)置對(duì)9部分艙板分別進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算穩(wěn)定后，得到艙板內(nèi)的溫度分布、熱流密度分布等，先從底板開始仿真計(jì)算。為便于對(duì)仿真結(jié)果的描述，定義艙板的長(zhǎng)邊方向?yàn)閄軸，寬邊方向?yàn)閅軸，厚度方向?yàn)閆軸，溫度分布圖中的單位為℃，熱流密度分布圖中的單位為W/m2。

為便于了解底板內(nèi)部的溫度及熱流密度分布，截取平行于YOZ平面的某平面、平行于XOY平面的某平面，兩個(gè)截面的溫度分布及熱流密度分布如圖3、圖4所示。

圖3 平行于YOZ平面某截面溫度分布及熱流密度分布

圖4 平行于XOY平面某截面溫度分布及熱流密度分布

如圖4所示，傳熱穩(wěn)定后，溫度由艙內(nèi)到艙外均勻分布，在骨架處溫度變化比較劇烈，熱流密度在隔熱板與骨架接觸處有明顯變化。仿真得到穩(wěn)態(tài)傳熱后的熱流量為677.99 W，根據(jù)傳熱系數(shù)值的定義可得底板的傳熱系數(shù)值為

其他板主要指放置空調(diào)處的幾塊板，如圖1灰色的4塊板，按照?qǐng)D1的序號(hào)命名4塊板。另外，兩塊肋板的結(jié)構(gòu)、材料等都是完全一樣的，以肋板1、肋板2命名，肋板具體位置見圖2紅色框選處。按照底板的仿真步驟，對(duì)其他8部分艙板進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各艙板的相關(guān)傳熱參數(shù)值如表1所示。

表1 各艙板傳熱參數(shù)值

根據(jù)表1中得到的傳熱系數(shù)值及式(4)，可得方艙整體的等效傳熱系數(shù)值：

3 驗(yàn)證

所需試驗(yàn)設(shè)備主要是80-107/BHT7150-5F步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱、WHY-150A數(shù)字測(cè)溫儀及VC890C+數(shù)字萬用表等，試驗(yàn)方艙放置于步入式高低溫濕熱試驗(yàn)室內(nèi)如圖5所示。此外，該試驗(yàn)方艙的氣密性達(dá)到Ⅰ級(jí)，密封性能較好，因此可忽略實(shí)驗(yàn)過程中的空氣泄漏量。

圖5 試驗(yàn)方艙布置方式示意圖

試驗(yàn)方艙外表面距離試驗(yàn)室內(nèi)壁不小于600 mm，方艙內(nèi)外溫度差不小于55 ℃。試驗(yàn)室溫度為-35 ℃，用電加熱器將艙體內(nèi)部溫度升至20 ℃。試驗(yàn)時(shí)，方艙內(nèi)外各設(shè)置6個(gè)數(shù)字測(cè)溫儀[7]，具體布置如圖6所示。在艙內(nèi)和艙外分別加裝風(fēng)扇，以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)艙外的空氣流通，保證溫度均勻，艙面上最大允許流速為2.2 m/s。

圖6 數(shù)字測(cè)溫儀布置示意圖

試驗(yàn)時(shí)，在30 min內(nèi)，試驗(yàn)方艙內(nèi)外溫度差不小于55 ℃的情況下，方艙內(nèi)外任意2個(gè)數(shù)字測(cè)溫儀間的讀數(shù)之差不大于2 ℃，艙內(nèi)包括電加熱器和電風(fēng)扇的電器總功率的變化值不大于±2.5%時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài)。達(dá)到熱平衡時(shí)，每隔15 min記錄一組數(shù)據(jù)，共記錄4組，包括各傳感器溫度讀數(shù)、電器總功耗等。方艙傳熱系數(shù)值用艙內(nèi)外平均溫度、功率消耗量和方艙名義內(nèi)表面積來計(jì)算。試驗(yàn)方艙名義表面總面積為37.38 m2，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2中得到的4組傳熱系數(shù)值再平均，計(jì)算得到方艙整體傳熱系數(shù)值為1.172 5 W/(m2·K)，上一章求得的仿真計(jì)算值為1.283 W/(m2·K)，兩者相比，仿真計(jì)算值的誤差為9.42%。

表2 方艙測(cè)試結(jié)果

4 優(yōu)化研究

傳熱系數(shù)值是一個(gè)過程量，其大小取決于壁面兩側(cè)流體的物性、流速，固體表面的形狀、材料的導(dǎo)熱系數(shù)等因素。研究對(duì)象是軍用方艙，研究的工況是穩(wěn)定傳熱工況，則艙壁兩側(cè)流體特性以及艙體壁面的形狀等都是恒定的，所以著重研究方艙的結(jié)構(gòu)及艙體材料對(duì)傳熱系數(shù)值的影響。通過改變艙板的結(jié)構(gòu)、材料，逐一得出各條件下方艙傳熱系數(shù)。

4.1 材料對(duì)傳熱系數(shù)值的影響

以后板為例，研究艙板各層材料對(duì)傳熱系數(shù)值的影響，在各層厚度及結(jié)構(gòu)不變的前提下，分別賦予蒙皮、骨架、隔熱板、內(nèi)芯各10種材料，仿真得出各材料下后板的傳熱系數(shù)值，得到導(dǎo)熱系數(shù)-傳熱系數(shù)值關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 各層導(dǎo)熱系數(shù)-傳熱系數(shù)值關(guān)系曲線

從圖7的4條曲線中不難發(fā)現(xiàn)，各層材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化對(duì)艙板傳熱系數(shù)值的影響程度不一樣，內(nèi)芯材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)艙板傳熱系數(shù)值的影響最大，骨架及隔熱板影響較小。曲線(d)的趨勢(shì)是三角函數(shù)，并非線性函數(shù)。圖中曲線表明材料導(dǎo)熱系數(shù)與艙板傳熱系數(shù)值間的關(guān)系都不是線性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)芯層的體積占艙板體積的比例最大，其傳熱面積所占比例也最大，因此該層材料對(duì)傳熱系數(shù)值影響最大。

4.2 艙板結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱系數(shù)值的影響

如圖2所示，艙板從內(nèi)到外由蒙皮、內(nèi)芯、隔熱板及骨架構(gòu)成，蒙皮是簡(jiǎn)單的平板結(jié)構(gòu)，隔熱板與骨架的幾何結(jié)構(gòu)除厚度外都一樣，而內(nèi)芯層結(jié)構(gòu)是隨著骨架及隔熱板的結(jié)構(gòu)變化而變化的，因此著重把骨架和隔熱板結(jié)合起來研究。研究骨架及隔熱板層幾何結(jié)構(gòu)對(duì)艙板傳熱系數(shù)值的影響時(shí)，骨架及隔熱板與內(nèi)外蒙皮層的接觸面積及厚度保持不變，列出如圖8所示的4種結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得出后板各結(jié)構(gòu)下的傳熱系數(shù)值，如表3所示。

圖8 后板骨架及隔熱板4種結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)abcd傳熱量413.448404.792396.993388.416傳熱系數(shù)1.1821.1581.1351.111

由表3可以看出：越復(fù)雜、內(nèi)部框架越多的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成的艙板傳熱系數(shù)值越大，保溫性能越差，如圖7(a)。研究發(fā)現(xiàn)，框架結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，雖然沿著厚度方向的傳熱面積不變，但骨架及隔熱板與內(nèi)芯的傳熱接觸面積增大，兩者間的換熱量增大，加快了熱量在艙板內(nèi)外表面間的傳熱，艙板傳熱系數(shù)值增大，保溫性能下降。

此外，圖7中列出的4種結(jié)構(gòu)的框架是均勻分布的，基于此對(duì)非均勻框架與均勻框架間進(jìn)行對(duì)比研究，給出3組結(jié)構(gòu)，如圖9所示，a代表非均勻結(jié)構(gòu)，b代表均勻結(jié)構(gòu)。同樣，仿真計(jì)算得出各結(jié)構(gòu)下后板傳熱系數(shù)值，如表4所示。

圖9 三組對(duì)比結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖9和表4，每一組的非均勻結(jié)構(gòu)下的傳熱系數(shù)都比均勻結(jié)構(gòu)的小，表明對(duì)稱設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)反而會(huì)提高艙板的傳熱系數(shù)，降低保溫性能。而所研究的艙板模型幾乎都是對(duì)稱設(shè)計(jì)的，接近于均勻布置，其保溫性能相對(duì)較差。

表4 三組對(duì)比結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

然而骨架及隔熱板的結(jié)構(gòu)是影響艙板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，因此，在后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與保溫性能，以實(shí)現(xiàn)基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)和傳熱設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

1) 仿真計(jì)算得到的方艙整體傳熱系數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值相比，誤差率為9.42%，驗(yàn)證了所采用的仿真計(jì)算方法可行性較高。

2) 內(nèi)芯的導(dǎo)熱系數(shù)值對(duì)艙板傳熱系數(shù)值影響最大，可根據(jù)需求著重減小內(nèi)芯材料的導(dǎo)熱系數(shù)來快速提高方艙的保溫性能。

3) 仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)成非均勻布置的、框架結(jié)構(gòu)較少的艙板結(jié)構(gòu)，可減小方艙整體的傳熱系數(shù)值，提高方艙的保溫性能。

由于在方艙建模上進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略了各塊艙板間的鉸鏈、連接件、艙體的窗戶、出風(fēng)口等,未單獨(dú)分析工作在移動(dòng)車輛上的方艙以及實(shí)際外部環(huán)境，是基于理想工況求得的方艙整體傳熱系數(shù)值,該值與方艙實(shí)際布置情況有些許偏差，后期繼續(xù)深入研究以解決如上問題，提高仿真精度。