某船舶港口充電站溫度場仿真技術研究

周智勇，李 翔，譚文浩

某船舶港口充電站溫度場仿真技術研究

周智勇1，李 翔1，譚文浩2

（1．海軍潛艇學院，山東青島 266000；2. 北部戰區海軍某支援艦支隊，山東省青島 266000）

針對某船舶充電站溫度場仿真相關技術展開研究。論文介紹了某船舶充電站溫度場仿真的目的及意義，論述了溫度場仿真的基本理論和方法，總結了對溫度場仿真模型進行優化分析的相關方法及其特點。論文成果對某船舶充電站溫度場仿真工作具有參考價值。

充電站 溫度場仿真 技術研究

0 引言

某船舶港口充電站作為一款船舶用充放電平臺，能夠實現能量高品質雙向流動。其通道電壓高，最高充電電流大，充電站一旦發生故障，將對人員及設備安全造成嚴重影響，而充放電模塊生熱量大是影響其安全穩定運行的重要因素。因此對設備溫度場分布進行仿真分析，制定相應的溫控措施，對充電站的運行維護工作十分必要。

熱分析，又稱為熱模擬，是利用數學手段在電氣設備的設計階段獲得溫度分布的一種方法。利用熱分析技術，能有效避免熱故障問題，提高產品可靠性，縮短研制周期，降低成本。

用于電氣設備的熱分析方法主要分為兩類：解析法和數值分析法。其中，解析法只能求解一些簡單的問題；數值分析法以離散數學、數值計算為基礎，以計算機為工具，能對大量復雜問題進行求解[1]。

1 傳熱學基本理論

1.1 熱傳遞的方式

1）熱傳導

熱傳導是完全接觸的兩個物體或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內能交換[2]。熱傳導遵循傅里葉定律：

2）熱對流

熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差引起的熱量交換[2]。熱對流可以分為自然對流和強制對流。對流一般作為面邊界條件施加。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，為對流換熱系數，T為固體表面的溫度，T為周圍流體的溫度。

3）熱輻射

熱輻射是指物體發射電磁能并被其他物體吸收轉變為熱的熱量交換過程[2]。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。

在工程中通常考慮兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統中每個物體同時輻射并吸收熱量。他們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—玻爾茲曼方程來計算：

式中，為熱流率，為發射率（黑度），為斯蒂芬—玻爾茲曼常數，約為5.67×10-8W/(㎡·K4)，1為輻射面1的面積，12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數，1為輻射面1的絕對溫度，2為輻射面2的絕對溫度。

1.2 熱力學第一定律

能量守恒定律在熱力學中稱為熱力學第一定律。對于一個封閉的系統(沒有質量的流入或流出):

式中，為熱量，為做功，Δ為系統內能，Δ為系統動能，Δ為系統勢能。

對于大多數工程傳熱問題：

通常考慮沒有做功：=0，則=Δ；

對于穩態熱分析：=Δ=0，即流入系統的熱量等于流出的熱量；

將其應用到一個微元體上，就可以得到熱傳導的控制微分方程。

1.3 熱分析的控制方程

熱傳導的控制微分方程為：

其中

式中，V、V、V為媒介傳導速率。

2 應用CFD軟件進行溫度場仿真

2.1 CFD軟件的簡要介紹

CFD是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，可通過流熱耦合對溫度場中的傳熱問題進行分析、計算和預測，廣泛應用于電氣設備的溫度場仿真工程。

CFD軟件通常包括三個模塊：前處理模塊、求解模塊以及后處理模塊[3]。

1）前處理模塊：用于建立相關問題的幾何模型（或者從CAD導入），輸入模型的幾何參數，確定計算區域，然后對計算區域進行網格劃分。網格劃分是CFD計算中最重要的工作之一，對CFD的計算精度具有關鍵性的影響。

2）求解模塊：在這一模塊中將對前處理模塊生成的網格模型設定邊界條件，選擇合適的求解方法，通過求解器計算得出數值結果。

3）后處理模塊：對結果（如溫度場等）進行可視化處理，還可以使用其他工具對模型進一步優化。

2.2 溫度場仿真方法步驟

1）對研究對象進行計算機幾何建模；

2）確定模型計算區域，進行網格劃分；

3）設定邊界條件；

4）選擇求解方法；

5）運行求解；

6）CFD計算結果驗證與分析。

3 基于響應面的溫度場模型分析方法

響應面是一種以樣本點為依據，對已有CFD模型的數值估計模型，所用樣本點由數理統計抽樣方法對CFD模型中的設計變量抽樣得到。響應面法是一種科學的實驗設計和分析方法。

3.1 基于響應面的溫度場模型分析步驟：

1）通過參數相關性分析等方法選取對目標函數（溫度場分布）影響較大的變量作為設計變量；

2）通過數理統計方法在已有CFD溫度場模型中抽取樣本點；

3）構建響應面，響應面的擬合精度通過擬合度優選矩陣判斷[4]；

4）選用合適的算法在響應面的基礎上進行優化設計，尋找全局最優或局部最優解，對溫度場模型的設計變量進行優化。

3.2 利用響應面進行優化設計的優點

CFD溫度場仿真模型具有至少幾十萬個有限元節點，直接應用求解器求解計算時需要應用3維湍流空氣流動與傳熱控制方程組[5]對所有有限元節點進行計算，每次修改設計變量后需要對整個CFD模型重新計算，耗費大量時間和資源。而通過響應面優化設計變量和重新計算，消耗時間比較少[6]。但需要注意的是利用響應面優化計算的結果是估計值，得到的結果應該與已有CFD模型重新計算的結果進行比較驗證[7]。

3.3 構建響應面的5種方法

構建響應面的常用方法有5種，各方法優缺點見表1。

3.4 對設計變量進行優化的6種算法

對設計變量進行優化主要有6種算法，各算法優缺點見表2。

表1 5種響應面的優缺點

4 總結

通過對計算機熱仿真技術的研究和對基于響應面法的優化設計方法的歸納，為某船舶港口充電站熱可靠性分析確定了研究方法和步驟。計算機熱仿真技術和基于響應面法的優化設計方法在許多工程實際問題中的成功應用表明這一研究思路是可行的，熱仿真研究將要用到的上述技術方法是成熟的，為某船舶港口充電站溫度場仿真工作的開展奠定了基礎。

表2 6種算法的優缺點

[1] 方志強, 付桂翠, 高澤溪. 電子設備熱分析軟件應用研究[J]. 北京航空航天大學學報, 2003, 29(8): 737-740.

[2] 張靖周. 高等傳熱學[M]. 北京: 科學出版社, 2009: 19-35.

[3] 谷現良, 趙加寧, 高軍, 高甫生. CFD商業軟件與制冷空調[J]. 制冷學報, 2003, 4: 45-49.

[4] 姚宇光, 張永學, 田原, 侯虎燦. 基于響應面法的加氫進料燃燒爐運行優化研究[J]. 天然氣工業2017, 37(6): 99-106.

[5] 黃小輝, 畢小平. 計算流體力學在車輛冷卻風道設計中的應用[J]. 兵工學報, 2008, 29(11): 1281-1285.

[6] 潘曉磊, 王家群, 胡麗琴, 汪建業, 汪進. 基于響應面擬合方法中國鉛基研究實驗堆非能動余熱排出系統可靠性分析[J]. 核技術, 2016, 39(5).

[7] 王永菲, 王成國. 響應面法的理論與應用[J]. 中國民族大學學報(自然科學版)2005, 14(3): 236-240.

[8] 杜宇健, 蕭德云. Kriging算法在溫度場計算中的應用分析[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報2004, 16(8): 1153-1158.

Research on Temperature Field Simulation Technology of a Ship Charging Station at Port

Zhou Zhiyong1, Li Xiang1, Tan Wenhao2

(1.The Navy Academy of Submarine, Qingdao 266000, Shandong, China; 2. A Naval Support Fleet in the Northern Theatre, Qingdao 266000, Shandong, China)

TP391.9

A

1003-4862（2019）10-0011-04

2019-03-20

周智勇（1973-），男，教授。研究方向：船舶動力裝置管理與保障。E-mail：675055982@qq.com