發(fā)射筒水循環(huán)空調(diào)熱負(fù)荷仿真計(jì)算方法

王向往，劉 東，張 劍，黨帥營，郭敬彬

(1.中國船舶集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

在潛載導(dǎo)彈發(fā)射裝置中，空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)著調(diào)節(jié)發(fā)射裝置筒內(nèi)溫度，為導(dǎo)彈提供合適貯存條件的重要功能，是發(fā)射裝置的重要組成部分。空調(diào)系統(tǒng)一般分為通氣空調(diào)和水循環(huán)空調(diào)，其中水循環(huán)空調(diào)是利用管路中水溫的高低對(duì)發(fā)射筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)供熱或供冷的效果，從而保證發(fā)射筒內(nèi)溫度的恒定[1–2]。

水循環(huán)空調(diào)管路布置在發(fā)射裝置發(fā)射筒內(nèi)壁，基于空間有限，需要首先計(jì)算出發(fā)射筒的空調(diào)熱負(fù)荷，求出所需水管的管道表面積，進(jìn)而驗(yàn)證發(fā)射筒內(nèi)壁面空間能否滿足水循環(huán)空調(diào)方案的需求。一般采用穩(wěn)態(tài)的方法計(jì)算空調(diào)的熱冷負(fù)荷，根據(jù)能量守恒定律，空調(diào)熱負(fù)荷即通過發(fā)射筒壁面散失或者吸收的熱量[3]。發(fā)射筒在夏季吸收熱量最多，在冬季散失熱量最多，所以只需要計(jì)算出發(fā)射筒在夏、冬兩季的空調(diào)熱負(fù)荷，即可知道空調(diào)的極限熱負(fù)荷。

1 仿真模型

1.1 物理模型

潛載導(dǎo)彈發(fā)射裝置發(fā)射筒的主要組成包括內(nèi)筒、外筒、筒底、筒蓋。

發(fā)射筒實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，整體進(jìn)行建模計(jì)算量很大。本文通過簡化發(fā)射筒模型計(jì)算空調(diào)熱負(fù)荷，為了簡化分析需做以下基本假設(shè)：

1）認(rèn)為各層材料物性均勻不變，并且忽略層與層之間的接觸熱阻；

2）由于發(fā)射筒溫度分布具有對(duì)稱性，在取局部模型進(jìn)行傳熱計(jì)算時(shí)，可設(shè)溫度分布對(duì)稱處為絕熱；

3）發(fā)射筒筒狀結(jié)構(gòu)軸向方向溫度不變；

簡化模型相關(guān)計(jì)算可以為實(shí)際的空調(diào)熱負(fù)荷提供參考。簡化模型如圖1 所示。

圖1 發(fā)射筒幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometry diagram of launcher

發(fā)射筒上部暴露于空氣的時(shí)候空調(diào)熱負(fù)荷最大，這時(shí)發(fā)射筒從所面對(duì)的外部環(huán)境角度分析，可以分為舷外段、艙內(nèi)段和筒底段3 個(gè)部分。其中舷外段外部環(huán)境為空氣，艙內(nèi)段外部環(huán)境為艙室環(huán)境，筒底段外部環(huán)境為海水。

考慮到艙內(nèi)段發(fā)射筒外部環(huán)境是艙室，本身已有空調(diào)調(diào)節(jié)溫度，可以忽略艙內(nèi)段發(fā)射筒的內(nèi)外溫差，即不用考慮艙內(nèi)段的空調(diào)熱負(fù)荷，僅考慮舷外段和筒底段。簡化后的模型軸向方向相同部位所處環(huán)境一樣，傳熱過程和材料結(jié)構(gòu)一樣。所以通過局部仿真計(jì)算得到平均熱流密度，再與換熱面積相乘得到每段換熱量，最后相加可得到總的發(fā)射裝置熱負(fù)荷。發(fā)射筒外筒內(nèi)外壁面考慮一定厚度保溫層，內(nèi)外筒之間有一定間隙，賦予空氣的屬性；筒蓋內(nèi)外壁面考慮有一定厚度保溫涂層；筒底內(nèi)側(cè)考慮有保溫涂層，外側(cè)考慮有一定厚度的絕緣材料。舷外段筒蓋和圓筒局部模型如圖2 和圖3 所示，筒底段模型如圖4 所示。

圖2 筒蓋局部模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of local model of cylinder cover

簡化模型中筒蓋，圓筒段，底部的內(nèi)表面面積分別記為 A1， A2， A3。

1.2 仿真理論及計(jì)算公式

發(fā)射筒通過壁面的換熱過程有熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱2 種。熱傳導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式如下：

其中： q為熱流密度， W /m2； k 為 導(dǎo)熱系數(shù)， W /(m·k)；為傳熱方向上的溫度梯度。對(duì)流換熱相關(guān)公式如下：

圖3 圓筒局部模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of local cylinder model

圖4 筒底模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of cylinder bottom model

其中： q 為熱流密度， W /m2； h 為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·k) ； TS為物體表面溫度， T∞為流體溫度，K。熱流密度與換熱量相關(guān)公式如下[4]：

其中： q 為熱流密度， W /m2； A為模型的內(nèi)表面面積， m2， Q 為換熱量， W。發(fā)射筒內(nèi)溫度由管路控制，管路與發(fā)射筒內(nèi)熱量交換有輻射與對(duì)流2 種，其中輻射占主要部分[5]。本文的計(jì)算忽略對(duì)流，按照ASHRAE 計(jì)算方法提供的輻射供冷方程計(jì)算管路與發(fā)射筒內(nèi)的熱交換效率[6–7]，方程如下：

其中： Qr為 單位面積輻射換熱量，W/m2； tp為有效輻射板的表面溫度，℃；AUST 為除輻射板以外空間表面加權(quán)平均溫度，℃。根據(jù)能量守恒定律，發(fā)射筒通過壁面散失或吸收的熱量與管路向發(fā)射筒內(nèi)傳遞或者吸收的熱量相等，則所需管路表面積為：

首選通過仿真計(jì)算得到熱流密度，代入式（3），可得到夏季和冬季的空調(diào)熱負(fù)荷。選取管路溫度 tp，代入式（4）和式（5），可得到選取的管路溫度對(duì)用的管路表面積。

1.3 材料參數(shù)

仿真計(jì)算中相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過資料直接查詢得到，取值如表1 所示。不同部位對(duì)流換熱系數(shù)取值如表2 所示[8–10]。其中內(nèi)外筒、筒蓋、筒底材料選取碳鋼來進(jìn)行計(jì)算。

表1 相關(guān)材料熱學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Thermal performance parameters of related materials

表2 不同部位對(duì)流換熱系數(shù)Tab.2 Convective heat transfer coefficient of different parts

1.4 網(wǎng)格劃分及邊界條件

使用Ansys 軟件對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。筒蓋局部模型不規(guī)則，網(wǎng)格類型采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)28195 個(gè)，如圖5 所示。計(jì)算時(shí)保溫涂層與筒蓋之間采用綁定約束，把發(fā)射筒內(nèi)環(huán)境溫度賦予筒蓋內(nèi)側(cè)保溫涂層表面，賦予筒蓋外側(cè)保溫涂層與環(huán)境之間對(duì)流換熱條件，對(duì)流換熱系數(shù)如表3 所示，環(huán)境溫度即外部空氣溫度。其他面賦予絕熱條件。

圖5 筒蓋局部模型網(wǎng)格示意圖Fig.5 Grid diagram of local model of cylinder cover

圓筒段模型是一個(gè)規(guī)則的圓筒形狀，采用的網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)14152 個(gè)，如圖6 所示。內(nèi)外筒間空氣賦予流體性質(zhì)，計(jì)算時(shí)保溫涂層與筒蓋之間采用綁定約束；外筒內(nèi)外保溫涂層表面與空氣之間賦予對(duì)流換熱條件，內(nèi)筒外壁與筒間空氣賦予對(duì)流換熱條件，對(duì)流換熱系數(shù)取表3 中值。根據(jù)所處環(huán)境給予內(nèi)筒內(nèi)壁溫度與發(fā)射筒內(nèi)溫度一致，外筒外壁保溫涂層外部環(huán)境溫度與環(huán)境空氣溫度一致。其他面給與絕熱條件。

圖6 圓筒段局部模型網(wǎng)格示意圖Fig.6 Grid diagram of local model of cylinder section

筒底段模型是一個(gè)帶弧度的圓板，采用的網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)26536 個(gè)，如圖7 所示。計(jì)算時(shí)保溫涂層與筒蓋、保溫層與筒底之間采用綁定約束，保溫涂層表面賦予發(fā)射筒內(nèi)部環(huán)境溫度，底部是海水環(huán)境，直接給表面賦予與海水溫度。其他面賦予絕熱條件。

圖7 筒底模型網(wǎng)格示意圖Fig.7 Grid diagram of cylinder bottom model

2 夏季工況分析

2.1 夏季舷外段傳熱過程

舷外段傳熱過程分為圓筒段傳熱過程、筒蓋傳熱過程。夏季發(fā)射筒內(nèi)部溫度比外部環(huán)境溫度低，是一個(gè)吸熱的過程。用Ansys Workbench 18.0 模擬傳熱過程，得到舷外段夏季筒蓋內(nèi)壁平均熱流密度 q1及圓筒段內(nèi)壁平均熱流密度 q2。局部熱流密度計(jì)算結(jié)果云圖如圖8 和圖9 所示。

2.2 夏季筒底段傳熱過程

圖8 夏季筒蓋局部模型熱流密度云圖Fig.8 Heat flux nephogram of local model of cylinder cover in summer

圖9 夏季圓筒段局部模型熱流密度云圖Fig.9 Local model heat flux nephogram of cylinder section in summer

筒底段內(nèi)壁敷設(shè)保溫層，外部有厚度一定厚度的材料絕緣。添加邊界條件，得到夏季筒底段平均熱流密度 q3，熱流密度云圖如圖10 所示。

圖10 夏季筒底段熱流密度云圖Fig.10 Cloud chart of heat flux density at the bottom of cylinder in summer

2.3 夏季管路表面積計(jì)算

夏季空調(diào)熱負(fù)荷為：

假設(shè)夏季管路溫度 tp1，發(fā)射筒內(nèi)部溫度AUST，代入式（4）和式（5），可得管路表面積為：

3 冬季工況分析

3.1 冬季舷外段傳熱過程

冬季發(fā)射筒內(nèi)部溫度比外部環(huán)境溫度高，是一個(gè)散熱的過程。修改邊界條件，冬季舷外段局部熱流密度計(jì)算結(jié)果云圖如圖11 和圖12 所示。可得到冬季舷外段筒蓋內(nèi)壁平均熱流密度 q4及 圓筒段內(nèi)壁平均熱流密度 q5。

圖11 冬季筒蓋局部模型熱流密度云圖Fig.11 Heat flux nephogram of local model of cylinder cover in winter

圖12 冬季圓筒段局部模型熱流密度云圖Fig.12 Local model heat flux nephogram of cylinder section in winter

3.2 冬季筒底段傳熱過程

添加冬季筒底段邊界條件，計(jì)算得到熱流密度云圖如圖13 所示。可得到冬季筒底段內(nèi)壁平均熱流密度 q6。

圖13 冬季筒底段熱流密度云圖Fig.13 Cloud chart of heat flux density at the bottom of cylinder in winter

3.3 冬季管路表面積計(jì)算

冬季空調(diào)熱負(fù)荷為：

假設(shè)夏季管路溫度 tp2，發(fā)射筒內(nèi)部溫度AUST，代入式（4）和式（5），可得管路表面積為：

4 結(jié) 語

本文提出一種發(fā)射筒內(nèi)水循環(huán)空調(diào)熱負(fù)荷及管路表面積的計(jì)算方法。通過簡化發(fā)射筒模型，對(duì)發(fā)射筒實(shí)際傳熱過程中環(huán)境條件與仿真計(jì)算時(shí)邊界條件的轉(zhuǎn)換進(jìn)行描述。使用有限元仿真方法計(jì)算夏季和冬季情況下發(fā)射筒內(nèi)部環(huán)境處于恒溫時(shí)在所需的空調(diào)熱負(fù)荷。最后用文中給出的方法，計(jì)算得到發(fā)射筒內(nèi)采用水循環(huán)式空調(diào)所需的管路表面積。結(jié)果表明，這種方法是可行的。研究結(jié)果為發(fā)射筒空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算提供一種方法，并且為發(fā)射筒內(nèi)部水循環(huán)空調(diào)設(shè)計(jì)提供參考。