軍用方艙傳熱系數(shù)值的計算及優(yōu)化研究

丁 華，李 晨，王海軍

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

軍用方艙是裝載軍事設備和人員并提供所需要的工作條件和環(huán)境防護的廂體，具有較高的機動性能。在執(zhí)行任務期間，操作人員需要長時間在方艙的密閉環(huán)境中工作，方艙的保溫性能影響操作人員的熱舒適性，關系軍事任務的執(zhí)行效率；當艙外空氣溫度有強烈波動，要求艙壁能夠減小艙內空氣及內表面的溫度波動；總的來說，提高艙體的保溫特性顯得尤為關鍵。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)，方艙的結構和材料都影響著傳熱系數(shù)值。

方艙的傳熱系數(shù)值大多采用實驗[1]的方法測定，實驗測定設備及程序復雜，耗時長且成本較高。隨著計算傳熱學的發(fā)展，傳熱分析方面不斷出現(xiàn)較成熟的商用仿真軟件，相比實驗的方法，仿真計算速度快，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)值方法對軌道車輛內部傳熱情況的預測，驗證了仿真計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空氣溫度隨時間的變化規(guī)律，但是用空氣焓值來確定傳熱量的準確性略顯不足，且方艙實際結構比客車更為復雜，故不適宜借助空氣焓值來求解方艙的傳熱量。熊華生[4]對動車組車廂各側墻分別進行二維平壁隔熱仿真研究，并分析冷橋部件對整車傳熱系數(shù)值的影響，但二維模型較三維模型相對單一，精確度略顯不足。方艙構建繁多，對方艙整體進行有限元處理工作量大，總的來看對方艙整體進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，對熱量在每部分艙壁中的三維流動狀況進行仿真與分析，得出每部分傳熱系數(shù)值，再運用等效面積法計算方艙整體傳熱系數(shù)值。改變艙板的結構、材料及空間布局，得出各種狀態(tài)下方艙傳熱系數(shù)值以及各因素對傳熱系數(shù)的影響，為方艙的熱工性能設計提供理論依據(jù)。

1 傳熱理論概述

結合傳熱理論和方艙內部的結構特點，熱量傳遞可分成以下3種基本傳遞方式：熱傳導、熱對流及熱輻射。方艙在室外高溫的環(huán)境下，傳熱過程如下：在艙內外的溫度差作用下，艙外空氣通過熱傳導與熱對流的方式以及太陽的熱輻射，將熱量傳至艙壁外表面，艙壁外表面經過復合層，熱傳導至艙壁內表面，最后從艙壁內表面?zhèn)髦僚搩鹊蜏乜諝?，此外艙體內表面還與艙內空氣存在熱對流。

仿真過程中用到的艙體內外表面的對流換熱系數(shù)值，采用經驗公式[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為艙體內表面與艙內空氣溫度差(K)。

對靜止艙體，參照上述公式，內表面換熱系數(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)值等效計算公式[4]如下：

(3)

2 仿真計算

2.1 幾何模型

方艙實體三維模型如圖1所示，方艙模型雖復雜但結構分明，由幾大塊帶有骨架、內芯及蒙皮等組成的復合板所構成。運用三維建模軟件對方艙的各角件、鉸鏈、螺栓等連接件及各倒角進行了簡化，按照圖1的坐標系及視角，將其簡化劃分為前板、后板、左板、右板、頂板、底板、門板、肋板和其他板，共計9部分。

圖1 軍用方艙實體模型

此外，每部分艙板均有幾層復合結構，底板由4層復合結構構成，除底板外均由5層復合結構構成，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，各層結構示意如圖2所示。

圖2 除底板外艙板各層結構示意圖

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

2.2 傳熱模型

熱量由艙內高溫空氣通過熱傳導與熱對流的方式，傳至艙壁內表面，再由艙壁內表面?zhèn)鲗е僚摫谕獗砻?，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。仿真計算時，將實際的熱對流傳導方式簡化為艙板的內外表面添加表面換熱系數(shù)。

用HyperMesh軟件劃分艙板結構化網格，且均為六面體網格，網格大小為5 mm，六面體單元數(shù)共為22 745 544，合計單元節(jié)點數(shù)為22 080 211。

2.3 參數(shù)設置

用ANSYS軟件中的FLUENT模塊[6]進行仿真求解，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設定，流體介質選用不可壓縮的空氣，并設置重力加速度；內壁面表面溫度為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)，除這兩個壁面外均設置為絕熱壁面；分離求解器選用SIMPLEC格式；設置解算器求解迭代步數(shù)為500步，松弛因子壓力項和動量項分別采用0.3和0.7，收斂容差為1×10-7。

2.4 仿真結果

按照上述參數(shù)設置對9部分艙板分別進行仿真計算，計算穩(wěn)定后，得到艙板內的溫度分布、熱流密度分布等，先從底板開始仿真計算。為便于對仿真結果的描述，定義艙板的長邊方向為X軸，寬邊方向為Y軸，厚度方向為Z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處的幾塊板，如圖1灰色的4塊板，按照圖1的序號命名4塊板。另外，兩塊肋板的結構、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，對其他8部分艙板進行仿真計算，得到各艙板的相關傳熱參數(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 驗證

所需試驗設備主要是80-107/BHT7150-5F步入式高低溫濕熱試驗箱、WHY-150A數(shù)字測溫儀及VC890C+數(shù)字萬用表等，試驗方艙放置于步入式高低溫濕熱試驗室內如圖5所示。此外，該試驗方艙的氣密性達到Ⅰ級，密封性能較好，因此可忽略實驗過程中的空氣泄漏量。

圖5 試驗方艙布置方式示意圖

試驗方艙外表面距離試驗室內壁不小于600 mm，方艙內外溫度差不小于55 ℃。試驗室溫度為-35 ℃，用電加熱器將艙體內部溫度升至20 ℃。試驗時，方艙內外各設置6個數(shù)字測溫儀[7]，具體布置如圖6所示。在艙內和艙外分別加裝風扇，以實現(xiàn)艙內艙外的空氣流通，保證溫度均勻，艙面上最大允許流速為2.2 m/s。

圖6 數(shù)字測溫儀布置示意圖

試驗時，在30 min內，試驗方艙內外溫度差不小于55 ℃的情況下，方艙內外任意2個數(shù)字測溫儀間的讀數(shù)之差不大于2 ℃，艙內包括電加熱器和電風扇的電器總功率的變化值不大于±2.5%時，即認為達到平衡狀態(tài)。達到熱平衡時，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)值用艙內外平均溫度、功率消耗量和方艙名義內表面積來計算。試驗方艙名義表面總面積為37.38 m2，得到的測試數(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算值為1.283 W/(m2·K)，兩者相比，仿真計算值的誤差為9.42%。

表2 方艙測試結果

4 優(yōu)化研究

傳熱系數(shù)值是一個過程量，其大小取決于壁面兩側流體的物性、流速，固體表面的形狀、材料的導熱系數(shù)等因素。研究對象是軍用方艙，研究的工況是穩(wěn)定傳熱工況，則艙壁兩側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構及艙體材料對傳熱系數(shù)值的影響。通過改變艙板的結構、材料，逐一得出各條件下方艙傳熱系數(shù)。

4.1 材料對傳熱系數(shù)值的影響

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

圖7 各層導熱系數(shù)-傳熱系數(shù)值關系曲線

從圖7的4條曲線中不難發(fā)現(xiàn)，各層材料導熱系數(shù)的變化對艙板傳熱系數(shù)值的影響程度不一樣，內芯材料導熱系數(shù)對艙板傳熱系數(shù)值的影響最大，骨架及隔熱板影響較小。曲線(d)的趨勢是三角函數(shù)，并非線性函數(shù)。圖中曲線表明材料導熱系數(shù)與艙板傳熱系數(shù)值間的關系都不是線性關系。研究發(fā)現(xiàn)內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，因此該層材料對傳熱系數(shù)值影響最大。

4.2 艙板結構對傳熱系數(shù)值的影響

如圖2所示，艙板從內到外由蒙皮、內芯、隔熱板及骨架構成，蒙皮是簡單的平板結構，隔熱板與骨架的幾何結構除厚度外都一樣，而內芯層結構是隨著骨架及隔熱板的結構變化而變化的，因此著重把骨架和隔熱板結合起來研究。研究骨架及隔熱板層幾何結構對艙板傳熱系數(shù)值的影響時，骨架及隔熱板與內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種結構，分別進行仿真計算，得出后板各結構下的傳熱系數(shù)值，如表3所示。

圖8 后板骨架及隔熱板4種結構

結構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：越復雜、內部框架越多的結構，其構成的艙板傳熱系數(shù)值越大，保溫性能越差，如圖7(a)。研究發(fā)現(xiàn)，框架結構越復雜，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種結構的框架是均勻分布的，基于此對非均勻框架與均勻框架間進行對比研究，給出3組結構，如圖9所示，a代表非均勻結構，b代表均勻結構。同樣，仿真計算得出各結構下后板傳熱系數(shù)值，如表4所示。

圖9 三組對比結構

結合圖9和表4，每一組的非均勻結構下的傳熱系數(shù)都比均勻結構的小，表明對稱設計的結構反而會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稱設計的，接近于均勻布置，其保溫性能相對較差。

表4 三組對比結構的傳熱系數(shù)

然而骨架及隔熱板的結構是影響艙板結構強度的關鍵因素，因此，在后期的結構設計中需綜合考慮結構強度與保溫性能，以實現(xiàn)基于強度設計和傳熱設計的多目標優(yōu)化設計。

5 結論

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

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

3) 仿真結果表明：設計成非均勻布置的、框架結構較少的艙板結構，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行了簡化,忽略了各塊艙板間的鉸鏈、連接件、艙體的窗戶、出風口等,未單獨分析工作在移動車輛上的方艙以及實際外部環(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。