基于ANSYS的高速客車車頂穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場分析

臧國群，何忠韜，丁立利

（蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

高速列車車廂內(nèi)的熱流密度和溫度分布狀況與車廂體圍護結(jié)構(gòu)的熱特性有著密切的關(guān)系，因此車室內(nèi)空氣的速度場、溫度場分布情況直接受車廂體熱工特性的影響。車廂體的傳熱是通過車頂、車底、側(cè)墻、端墻4個部分進行的。因此結(jié)合高速客車的具體設計特點，對車頂進行傳熱分析，是進行客車車體隔熱壁熱工性能研究的根本環(huán)節(jié)，在分析出車頂傳熱特性的基礎上，設計采用有效防護措施來提高客車的保溫隔熱性能，降低通過高速客車車廂體的能量耗散損失，并為準確計算車室內(nèi)冷熱負荷提供依據(jù)。

1 ANSYS熱分析的基本理論

1.1 ANSYS熱分析的基本原理

ANSYS進行熱分析的基本原理是：首先將對象劃分為有限個單元（包括若干個節(jié)點），然后運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節(jié)點處的熱平衡方程，根據(jù)求解平衡方程得出的各節(jié)點溫度，進一步求解出其他相關(guān)量。

對于一個沒有質(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)動能；ΔPE為系統(tǒng)勢能。對于大多數(shù)工程的傳熱問題ΔKE＋ΔPE＝0，當不考慮做功，即W＝0時，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

凡是物體中各點溫度不隨時間改變的傳熱過程均稱為穩(wěn)態(tài)傳熱，即當系統(tǒng)的凈熱流率為0時，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］為傳導矩陣，包含對流系數(shù)、導熱系數(shù)及輻射率和形狀參數(shù)；｛T｝為節(jié)點溫度向量；｛Q｝為節(jié)點熱流向量，包含熱生成。ANSYS綜合運用所建模型的參數(shù)、添加材料的熱性能參數(shù)以及各類邊界條件，生成參數(shù)［K］、｛T｝和｛Q｝。

2 CRH5車頂傳熱分析

2.1 車頂結(jié)構(gòu)

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

圖1 車頂斷面圖

2.2 進行分析的假設條件

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

2.3 邊界條件

依據(jù)假設條件，車頂傳熱分析可歸納為基本的熱量傳遞方式：熱傳導和對流換熱。

2.3.1 熱傳導

車頂內(nèi)部的熱量流動主要是通過材料的導熱性能完成的，熱傳導過程遵循傅立葉導熱定律：

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

2.3.2 對流換熱

列車隔熱壁內(nèi)表面與車內(nèi)空氣、外表面與外界空氣均存在著對流換熱現(xiàn)象，車頂內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的對流換熱系數(shù)在計算過程中取一特定狀態(tài)下的值，不考慮運行對換熱系數(shù)的影響。

3 建立有限元模型

3.1 CRH5車頂建模分析

本文的研究重點是車頂?shù)膫鳠嵝Ч虼嗽诮Ｓ嬎愕倪^程中僅考慮起到車內(nèi)外熱傳導作用的結(jié)構(gòu)，影響較小的車頂?shù)钠渌Y(jié)構(gòu)予以忽略。簡化后的車頂示意圖如圖2所示。

圖2 簡化后的車頂示意圖

3.2 CRH5車頂熱分析物理性能參數(shù)的確定

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

車頂鋁合金在夏季溫度35℃時的導熱系數(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膜組成，其綜合導熱系數(shù)為0.004 59 W／（m·K）。內(nèi)板為厚度10 mm的鋁蜂窩復合板，導熱系數(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。本文設計模型采用自由網(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個單元，311 198個節(jié)點，如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后的車頂有限元模型

3.4 施加載荷約束并求解

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

對流是一種面載荷，施加在實體表面。根據(jù)高速鋁合金車體隔熱壁設計原理及相關(guān)文獻查得外表面對流換熱系數(shù)為16.268 W／（m2·K），車內(nèi)空氣與內(nèi)板對流換熱系數(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對車頂進行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到了車頂?shù)臏囟葓龇植迹鐖D4所示。

圖4 車頂溫度場分布等值線圖

由圖4可以看出，從車頂鋁合金（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熱系數(shù)較大，導熱性能好，中間隔熱材料的導熱系數(shù)較小，隔熱效果好，溫度發(fā)生了變化。進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顯示車體鋁合金部分由于其導熱系數(shù)較大，且存在外界空氣與其表面的對流換熱，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。通過這些區(qū)域顯示，模型通過在吸震材料上以及隔熱材料內(nèi)板之間部分進行加密網(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軟件運用于車頂穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場分析，通過對車頂施加導熱、對流邊界條件能夠模擬出符合實際情況的車頂溫度變化規(guī)律，得出熱量在傳遞過程中由于車頂隔熱材料的導熱系數(shù)較小，在車內(nèi)外溫差與傳熱面積相同的情況下，通過的熱量越小，隔熱效果越好。故對高速客車車頂穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場的深入研究，是進行客車車體隔熱壁熱工性能研究的根本環(huán)節(jié)，能為提高高速客車隔熱保溫性能提供參考數(shù)據(jù)和設計依據(jù)。

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