保溫罐車內部溫度場數值分析

王東屏，尤明，田磊，董華軍( .大連交通大學機械工程學院，遼寧大連608; .中國北車集團齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司大連研發中心，遼寧大連605)*

保溫罐車內部溫度場數值分析

王東屏1，尤明1，田磊2，董華軍1
( 1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028; 2.中國北車集團齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司大連研發中心，遼寧大連116052)*

為了獲取保溫罐車的最佳保溫性能，以保溫罐車為研究對象，建立了符合其實際運行工況的三維數值計算模型.運用SIMPLE算法和VOF模型，對保溫罐體內部溶液溫度的傳熱狀況進行仿真分析.罐體外壁保溫層的總厚度不變，保溫材料為聚氨酯和巖棉，通過改變聚氨酯和巖棉各自的厚度，來對比分析當保溫材料厚度組合不同時，保溫罐車在24 h運行過程中，罐體內部溶液的溫度變化規律及其分布.計算結果表明:當采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層時，罐體的保溫效果最好.計算結果與實驗測得數據吻合，計算方法真實可靠.

數值仿真;溫度場;保溫材料;保溫罐車

0 引言

隨著我國基礎建設的不斷發展，工程領域對各種溶液運輸罐的保溫性能要求越來越高，因而有關保溫罐的溫度場分析顯得尤為重要.國內計算運輸罐車的保溫性能，一般采用計算其綜合傳熱系數的方法，誤差較大，因為保溫材料的傳熱過程是一個非穩態傳熱問題［1］.謝少華［2］等采用了ANSYS商業軟件探討了保溫層厚度，材料和車輛行駛速度等結構工況對罐內液體瞬態溫度場的影響.司馬英杰［3］等利用數學模型計算了5種假定工況下的儲油罐內部溫度分布.胡碧陽［4］等運用Fluent軟件對瀝青混合料保溫箱進行傳熱仿真，并針對其存在的不足進行改進.上述研究并未涉及到兩種保溫材料的厚度不同組合時對保溫罐體保溫性能的影響.本文對保溫罐體內部溶液及外層保溫材料的傳熱過程進行仿真分析，通過非穩態計算，得出采用不同厚度的聚氨酯和巖棉組合作為罐體保溫層時，其內部溶液的溫度分布情況及具體數值.總結出當罐體保溫層采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉組合時的設計效果最佳，對保溫罐體的隔熱設計提供了技術支持.

1 計算模型

1.1建立模型

由于要實現其長時間的保溫性能并且便于運輸，保溫罐體的設計通常比較復雜，包括罐筒，封頭，內部加熱管以及外部鋼架等.而模擬仿真結果的準確性與模型精確、簡化的建立密不可分，在不影響其運算精確度的情況下，必須要對實際模型做簡化處理.本文只是研究保溫材料厚度的不同組合對罐體保溫效果的影響，所以針對保溫罐車實際的模型，去除其外部大型鋼架，進放料口等結構，只保留罐體表面保溫層和罐體內部的加熱管.模型簡化后如圖1所示.

圖1 罐體模型

1.2網格劃分

在進入數值計算前，首先要將計算區域離散化［5］，利用計算網格把流動區域分為離散的控制體積;在每個控制體積上積分控制方程，形成諸如速度、壓力、溫度等的未知離散變量的代數方程;把離散的非線性方程組線性化;求解該方程組，得到更新的變量值.而網格是離散的基礎，是控制方程離散的基礎單元，網格節點是離散化的物理量的存儲位置.這就需要對模型的計算區域進行網格劃分［6］，網格劃分的合理性以及網格的質量直接影響著流場模擬計算的精度和運算效率.所以在簡化好罐體模型后，需要對其進行網格的劃分.整個計算網格采用四面體單元，網格整體質量良好.

1.3計算工況

該罐體保溫層采用復合保溫結構，與罐體表面接觸的保溫層材料為巖棉，巖棉外部為聚氨酯保溫層，兩者的總厚度為70 mm;罐體外表面附有槽鋼結構，其高度為60 mm，在槽鋼結構的表面附有10 mm的巖棉保溫層，總厚度為70 mm.罐體外部保溫材料的性能參數如表1所示，計算工況如下:罐外環境溫度為20℃，罐內溶液體積占比為95%，罐內空氣占比為5%，罐內溶液初始溫度為120℃，計算時間為24 h.

表1 罐體外壁保溫材料性能參數

罐體外壁保溫層總厚度保持70 mm不變，對比分析不同厚度的聚氨酯和巖棉組合時對罐體保溫性能的影響，本文建立了4種不同厚度的聚氨酯和巖棉的組合，選取聚氨酯的厚度分別為10、15、20、25 mm，對應的巖棉的厚度為60、55、50、45 mm.

2 算法原理與數值計算

2.1 VOF模型

VOF［7］( volume of fluid)模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區域的每一流體的體積分數來模擬兩種或三種不能混合的流體.在VOF模型中，將相的體積分數作為變量引入計算單元中，氣體和液體分別設定為第一相和第二相.由于罐體中存在5%的空氣和95%的溶液，并且要得出其具體的溫度變化趨勢，所以在數值計算中采用此模型，空氣為一相，溶液為二相.初始條件設置如圖2所示，從里到外依次為運輸溶液，空氣和保溫材料.

圖2 初始罐內相分布圖

2.2數值模型

為了準確的模擬出罐體外壁保溫材料不同厚度組合時，罐體內部溶液在24 h內的溫度變化，勢必要設置合理的邊界條件，以便于得出最為準確的數值計算結果.罐體內部加熱管邊界條件設置為絕熱，罐體鋼表面邊界條件設置為耦合.

罐體內為氣液兩相流模型，采用非定常的計算格式，用SIMPLEC算法進行計算.離散方程時，對流項采用二階迎風格式，粘性項采用二階中心差分格式.湍流模型采用標準的k-ε湍流模型.

3 計算結果分析

3.1保溫罐體內溶液溫度分布云圖分析

( 1)保溫層采用20 mm的聚氨酯和50 mm的巖棉

由圖3( a)可以看出，罐體外表面為保溫層，溫度為25℃左右，罐體頂部溫度分層明顯，且溫度由外向內逐漸增加到120℃，直至與罐體內部溶液上層表面接觸，其原因是由于罐體頂部有5%的空氣，存在對流換熱.由于此時罐車運行時間相對較短，罐內溶液大部分區域溫度為120℃.隨著罐車運行到24 h，如圖3( b)所示，罐體內溶液的溫度明顯下降，罐內溶液高溫區域減小，溫度由內向外逐漸降低.此時罐體近壁區的瀝青溶液溫度下降明顯，靠近罐體壁面周圍的溶液溫度90～100℃，中心區域瀝青溶液的溫度最高接近120℃.

圖3 罐體縱向中心豎直截面溫度分布云圖

( 2)保溫層采用10 mm的聚氨酯和60 mm的巖棉

圖4( a)可以看出，罐體外表面為保溫層，溫度為20℃;罐體頂部占有5%空氣，從罐壁到氣液接觸處溫度呈現上升趨勢;緊鄰保溫層的瀝青溶液，溫度為115℃左右，由于此時運輸時間相對較短，罐中大部分區域瀝青溶液溫度為120℃.隨著罐車的運行，罐內瀝青溶液由外向內溫度逐漸下降，罐內中心120℃高溫區域很小.此時罐體上部近壁區的瀝青溶液溫度為100℃左右，罐體中心瀝青溶液溫度為115℃左右，靠近罐體壁面周圍的瀝青溶液溫度90～100℃，如圖4( b)所示.

兩種不同厚度保溫材料組合時，在同一時刻罐體縱向中心豎直截面溫度分布云圖對比如上圖所示.可知罐車在運行0.1 h時刻，罐體內溶液溫度的變化基本相同.罐車在經過長時間運行到24 h之后，采用20 mm厚度聚氨酯和50 mm厚度巖棉作為保溫層的罐體和采用10 mm厚度聚氨酯和60 mm厚度巖棉作為保溫層的罐體相比較，前者內部溶液中心的高溫區域面積較大，而兩種組合靠近罐體壁面區域的溶液溫度基本保持在90～100℃.

圖4 罐體縱向中心豎直截面溫度分布云圖

3.2保溫罐體內監測點溫度變化分析

由于罐體內外溫差的作用，存在著熱量傳遞，所以罐體內部溫度隨著時間逐漸降低.為了更好地體現罐體內部溶液溫度的具體變化，在罐體縱向中心豎直截面上選取了11個監測點.分別在巖棉保溫層，聚氨酯保溫層，罐體內溶液，從左向右依次取點，用大寫字母A～K表示，如圖5所示.罐體左右取點呈現對稱分布，點的坐標及位置如表2所示.

圖5 罐體縱向中心豎直截面檢測點的分布

隨著罐車的運行，采用不同保溫層組合的罐體，在不同時刻，其內部各個監測點的溫度變化統計如表3所示.

表2 罐體縱向中心豎直截面中各檢測點的坐標

表3 罐體縱向中心豎直截面上各檢測點的溫度隨時間變化對比 ℃

監測點C (位于罐體內近壁區，距離左端最外側表面100 mm)的溫度隨時間的變化情況，如圖6( a)所示，可以看出，當罐體外壁采用不同厚度的聚氨酯和巖棉組合設計時，罐體內近壁區的溶液在不同時間段的溫度變化趨勢不同.在0.1～5. 56 h時，四種情況的溫度變化趨勢基本一樣.而隨著罐車運行到5.56 h以后，采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層，監測點C的溫度下降趨勢較快，相同時刻的溫度值較其他三種情況低1.0～1.6℃，而當采用其他厚度的保溫材料組合時，罐體內溶液溫度的變化趨勢基本一樣.所以較檢測點C的溫度變化，采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的巖棉作為保溫層時，罐體保溫效果較差.監測點K (罐體內溶液的中心點)的溫度隨時間變化的情況如圖6( b)所示，5.56 h以前，罐體內溶液中心點K的溫度保持120℃不變;隨著罐車的運行，點K的溫度逐漸下降，其趨勢基本一樣;到19.44 h以后，當采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層時，中心點K的溫度下降趨勢較緩，較其他三種保溫材料的組合，溫度偏高0.1～0. 3℃.圖6( c)是監測點E (距離罐體左端最外側表面1 196 mm)的溫度隨時間的變化情況，可以看出，5.56 h以前，罐體內監測點E的溫度保持120℃不變，隨著罐車運行時間的變化，點E的溫度不斷下降，其中采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層，監測點E的溫度下降趨勢較緩.罐車運行到11.11 h以后，罐體保溫層采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉時，同一時刻的溫度值較其他三種保溫層組合，溫度偏高0.1～0.3℃.

圖6 不同厚度保溫材料組合的溫度隨時間變化

4 計算方法的驗證

本文是對保溫罐體內部溶液溫度的傳熱狀況進行仿真分析，為了說明文中所采用的數值計算方法正確有效，就必須和罐車在實驗工況下所測得的數據進行對比驗證.所以采用本文中同樣的數值計算方法，對在實驗工況下運行的罐車進行模擬仿真，所得數據與實測數據比較分析.

罐車在實驗工況中，罐體內溶液的初始溫度為150℃，環境溫度為27℃，罐體外壁的保溫層為50 mm厚度的巖棉和20 mm厚度的聚氨酯.罐車在運行24 h之后，實際測得溫度為135℃，監測點在罐體出料口側上方內側200 mm處(對應到本文模擬坐標系中的點坐標為X =2470 mm，Y =830 mm，Z =－790 mm).而采用本文的數值計算方法模擬實際運行的工況時，24 h之后相同監測點(即X = 2 470 mm，Y =830 mm，Z =－790 mm)所測得的溫度為134.2℃，相對誤差為0.6%.

經過與實際工況所測得的數據相比較，本文所提供的數值計算方法結果可靠.

5 結論

本文通過對保溫罐體內部溶液的溫度場進行數值仿真計算，對比分析了采用不同厚度保溫材料組合時，不同時刻罐體內部溶液的溫度，得出如下結論:

( 1)保溫罐體內流體溫度場的數值仿真顯示出了運輸液體在罐車運行中具體時刻的溫度分布及其具體數值，對保溫罐體的保溫結構設計以及外部保溫材料的選擇有一定指導意義;

( 2)不同厚度保溫材料組合時，罐體內部溫度云圖顯示，不同溫度的區域面積不一樣，說明其保溫效果不一樣;

( 3)通過對罐內監測點的溫度變化進行對比，分析得到:在罐車運行到5.56 h以前，四種不同工況下的保溫罐體內溫度下降趨勢基本相同; 5.56 h以后，其趨勢開始變化，溫度變化不同;

( 4)綜合比較:在罐車的運行過程中，當采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為保溫層時，罐體的保溫效果較好，溶液中心區域溫度達116.8℃，近壁區溫度為98.5℃.當采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的巖棉作為保溫層時，罐體的保溫效果較差，溶液中心區域溫度達116.7℃，近壁區溫度為96.3℃，其他兩種工況的保溫效果介于兩者之間.

［1］蔡彬.各種保溫罐保溫性能的理論計算及應用［J］.Aterials Protection，1995，28( 12) : 26-28.

［2］謝少華，陳國定，孫恒超.保溫罐車液體熱量散逸及保持分析［J］.械科學與技術，2012，31( 10) : 1605-1609.

［3］司馬英杰，祁小兵，孟嵐.儲油罐內溫度場分布的模擬計算［J］.氣田地面工程，2012，31( 9) : 30-31.

［4］胡碧陽，曹婷，趙悟，等.瀝青混合料保溫箱的傳熱分析及改進［J］.工程機械，2012，43( 3) : 36-39.

［5］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［6］李春光，朱宇飛，劉豐，等.基于四邊形網格的下限原理有限元法［J］.巖石力學與工程學報，2012( 3) : 461-468.

［7］張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應用技術［J］.水利水電科技進展，2005，25( 4) : 67-70.

Internal Temperature Field Numerical Analysis of Insulation Tank Car

WANG Dongping1，YOU Ming1，TIAN Lei2，DONG Huajun1
( 1.School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.Dalian R＆D Center，CNR Qiqihar Railway Rolling Stock Co.，Ltd，Dalian 116052，China)

In order to achieve the best thermal performance of the insulation tank car，three-dimensional numerical model of the actual operating conditions is built.Based on SIMPLE algorithm and VOF model，heat transferring status in the internal space area of the tank car is simulated.The total thickness of the insulation layer is unchanged，and the insulation materials of the tank car are polyurethane and rock wool.During the operation of the insulation tank car in 24 h，by changing the thickness of polyurethane and rock wool respectively，the temperature variation of the solution and its distribution inside the insulation tank car are comparatively analyzed.The results show that the tank insulation effect is the best when 20 mm thickness of polyurethane and 50 mm thickness of rock wool are used as the insulation layer of the tank car.The results are in good agreement with the experiments，and the method of calculation is reliable.

numerical simulation; temperature field; insulation materials; insulation tank car

A

1673-9590( 2016) 01-0015-06

2015-04-20

王東屏( 1962－)，女，教授，博士，主要從事空氣動力學的研究

E-mail: wdp@163.com.