特種方艙傳熱系數的計算及優化研究

摘要：綜合傳熱系數是特種方艙總體設計過程中的一個重要指標，對其計算用兩種方法進行。先使用理論方法計算，在完成方艙分區結構三維模型后；再使用計算機仿真計算方法進行復核；最終得出方艙的綜合傳熱系數。通過分析得出兩種計算結果的區別，其主要原因在于端墻、艙頂等三維模型細化后的仿真計算更接近實際狀態；同時提出方艙后續改善綜合傳熱系數的重點方向在于艙頂與側墻等熱流值較大的結構件。

關鍵詞：方艙；傳熱系數；設計過程；優化研究

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-09-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.013

1 前言

特種方艙總體設計包括方艙、環境保障和供配電方面的設計。方艙綜合傳熱系數是受多種因素影響的重要參數之一。本文根據某型特種方艙的技術要求，在方艙結構設計初期進行理論模型計算，將方艙結構隔熱層進行簡化，對隔熱橋、窗戶等部件的影響作粗略估算，得到綜合傳熱系數的參考值后優化方艙的結構設計。在完成方艙結構的三維模型后，根據流體力學的理論，使用軟件對方艙的結構件進行較準確的仿真計算。然后與理論模型計算結果進行比較分析，并根據需要再次迭代優化方艙結構設計、環境保障和供配電的選型設計。

2 計算方法分析

2.1 理論計算方法

分層分區理論計算方法的原理是，根據內部結構的不同，將車體分成板壁、地板及門窗等典型結構。再從內向外，根據材料及其厚度的不同進行分層，依據各自所采用的材料、結構及厚度分別算出各結構的熱阻抗，從而算出傳熱系數，最后根據各區域所占面積進行加權累加，得到整車的傳熱系數K值[1]。

在穩定情況下，對于組織均勻的方艙壁板（內部設有隔熱橋，內外蒙皮間沒有直接連接的金屬構件），其傳熱系數可按多層平壁傳熱公式來計算：

式中，[aH]、[aB]分別為艙體內外壁表面換熱系數，W/（m2·K）；[δi]、[δ]分別為各層材料的厚度及總厚度，m；[n]為層數；[λi]為各層材料的導熱系數，W/（m·K）；[λE]為整個方艙壁板的當量導熱系數，W/（m·K）。

分別計算出各區域的傳熱系數后，可按下式求出整個方艙的綜合傳熱系數K：

式中，[Fi]為第i個方艙壁板的面積，m2；[Ki]為第i個方艙壁板的傳熱系數，W/（m2·K）。

對于方艙結構中所包含的類似于窗戶、門等特殊結構件，它們的內外層之間可能存在各種形式的金屬連接，形成熱橋。因此在式（1）中計算方艙各板壁的傳熱系數時，剔除門、窗等的面積，取其傳熱系數的經驗值作為參考依據，在式（2）中作為單獨結構件來計算。

2.2 仿真計算方法

ANSYS軟件是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節點的溫度，并導出其他熱物理參數[2]。ANSYS有限元法既吸收了古典變分近似解析法即泛函求極值的基本原理，又采用了有限差分的離散化處理方法，突出了單元的作用和各單元的相互影響，計算精度也提高了很多[3]。熱量傳遞可分成3種基本傳遞方式：熱傳導、熱對流及熱輻射[4]。結合傳熱理論和方艙內部的結構特點，本案例中的方艙傳熱系數計算包含有限空間的自然對流三維導熱問題，或者純導熱問題，因此采用SIMPLE算法及其修正算法。

根據材料的熱物性參數（導熱系數和傳熱系數），應用FLUENT軟件計算出熱量[?]，從而得到每個單元的K值。

由以下公式可得各部位等效傳熱系數：

式中，[?i]為艙體各部件熱流值，W；[Fi]為艙體各部件的面積，m2；[?t]為艙體內外側空氣溫差，K；[Ki]為艙體各部件傳熱系數，W/（m2·K）。

計算得出艙體各部件的傳熱系數后，再使用式（2）計算出整個方艙的綜合傳熱系數。

2.3 傳熱單元分區

艙體根據其結構特點分為9個區域：艙頂1和2、側墻1和2、地板1和2、艙門、維修門、端墻1和2，部分單元分區見圖1所示。

2.4 邊界條件設置

考慮到計算結果在工程實際的環境工況和應用意義，本文僅研究傳熱過程的穩態工況。為了更好地表征不同材料層在傳熱計算時的溫度關系，也便于仿真計算的可實現性，建立車體物理模型之前作如下假設：

a.整個艙體看作由多層材料組成的三維傳熱結構。

b.方艙內環境溫度取305.65 K，對流傳熱系數為8W/（m2·K）；方艙外環境溫度取280.65 K，與外環境接觸處的壁面對流傳熱系數為16 W/（m2·K），方艙內外溫差為25 K。

c.方艙內部保溫層材料的材質均勻，其導熱系數在溫差較小的傳熱環境下為定值。

d.方艙結構蒙皮與保溫層之間接觸緊密結實，接觸熱阻忽略不計。

e.方艙內部無熱源。

f.未考慮走線、走管等小型孔口，小金屬零件，以及對傳熱系數的影響。

2.5 其他結構件參數

方艙上安裝有玻璃窗、進出門和維修門等結構件，經查詢相關經驗數據，玻璃窗的傳熱系數為3.12 W/（m2·K），進出門和維修門的傳熱系數為5.3 W/（m2·K），此經驗值可用于理論計算中參考。

3 理論計算

根據方艙主要結構件的分區和結構特點，分別核算其分層材料的導熱系數[λi]，計算每個主要結構件的熱阻值[δλE]。根據設定的方艙內表面對流傳熱系數和與外環境接觸處的壁面對流傳熱系數，得出內外表面熱阻值分別為0.125（m2·K）/W和0.062 5（m2·K）/W。

根據式（1），核算分區結構件的總熱阻和總傳熱系數，結果如表1所示。

根據式（2），將各分區面積、傳熱系數綜合計算，合并考慮前述玻璃窗和進出門的經驗傳熱系數，得到方艙的總體綜合傳熱系數為0.514 7 W/（m2·K），具體數據如表2所示。

4 仿真計算

根據方艙的主要分區結構件的特點，進行結構建模以及網格劃分，邊界處進行加密處理。在穩態傳熱工況下，對各分區結構件的模型進行傳熱仿真模擬計算，計算得到的溫度分布云圖見圖3。

匯總計算得到的方艙主體部分基礎熱流值如表3所示。

根據式（1），計算車體綜合傳熱系數為：

5 分析與結論

使用理論計算方法與仿真計算方法在不同設計階段對方艙的綜合傳熱系數K值進行了計算，分別為0.5147 W/（m2·K）和0.4777 W/（m2·K），兩者相差約8%，具體區別如表4所示。

兩種計算方法依據的結構分區面積均一致，綜合傳熱系數計算結果稍有不同的原因有兩點：a.后期仿真計算的結構狀態與初期設計方案不同；b.理論計算中的車門、窗戶等部件采用了傳熱系數的經驗數據，與實際結構不完全相符。

本文案例在經過理論計算指導，仿真計算復核后，所得到的方艙綜合傳熱系數置信度高，可以作為后續空調制冷制熱負荷計算的參考輸入。同時，也可用于指導方艙的后續詳細設計，從車門、端墻、窗戶等傳熱系數較高的部件繼續優化傳熱結構設計，從艙頂、側墻等熱流占比較高的部件優化隔熱材料或厚度等設計。

參考文獻：

[1]胡翔云.車體隔熱壁傳熱系數計算方法的分析比較[J].鐵道車輛，1964（4）：8-15.

[2]沈祖鋒.基于Ansys的熱流計法墻體傳熱系數檢測的研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[3]杜玉峰.客車車體隔熱壁熱工性能研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[4]丁華，李晨，王海軍.軍用方艙傳熱系數值的計算及優化研究[J].兵器裝備工程學報，2019，40（7）：25-29.

作者簡介：

毛子夏，男，1982年生，高級工程師，研究方向為專用特種車輛。