保温罐车内部温度场数值分析

王东屏，尤明，田磊，董华军( .大连交通大学机械工程学院，辽宁大连608; .中国北车集团齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司大连研发中心，辽宁大连605)*

保温罐车内部温度场数值分析

王东屏1，尤明1，田磊2，董华军1
( 1.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028; 2.中国北车集团齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司大连研发中心，辽宁大连116052)*

为了获取保温罐车的最佳保温性能，以保温罐车为研究对象，建立了符合其实际运行工况的三维数值计算模型.运用SIMPLE算法和VOF模型，对保温罐体内部溶液温度的传热状况进行仿真分析.罐体外壁保温层的总厚度不变，保温材料为聚氨酯和岩棉，通过改变聚氨酯和岩棉各自的厚度，来对比分析当保温材料厚度组合不同时，保温罐车在24 h运行过程中，罐体内部溶液的温度变化规律及其分布.计算结果表明:当采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的岩棉作为罐体保温层时，罐体的保温效果最好.计算结果与实验测得数据吻合，计算方法真实可靠.

数值仿真;温度场;保温材料;保温罐车

0 引言

随着我国基础建设的不断发展，工程领域对各种溶液运输罐的保温性能要求越来越高，因而有关保温罐的温度场分析显得尤为重要.国内计算运输罐车的保温性能，一般采用计算其综合传热系数的方法，误差较大，因为保温材料的传热过程是一个非稳态传热问题［1］.谢少华［2］等采用了ANSYS商业软件探讨了保温层厚度，材料和车辆行驶速度等结构工况对罐内液体瞬态温度场的影响.司马英杰［3］等利用数学模型计算了5种假定工况下的储油罐内部温度分布.胡碧阳［4］等运用Fluent软件对沥青混合料保温箱进行传热仿真，并针对其存在的不足进行改进.上述研究并未涉及到两种保温材料的厚度不同组合时对保温罐体保温性能的影响.本文对保温罐体内部溶液及外层保温材料的传热过程进行仿真分析，通过非稳态计算，得出采用不同厚度的聚氨酯和岩棉组合作为罐体保温层时，其内部溶液的温度分布情况及具体数值.总结出当罐体保温层采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的岩棉组合时的设计效果最佳，对保温罐体的隔热设计提供了技术支持.

1 计算模型

1.1建立模型

由于要实现其长时间的保温性能并且便于运输，保温罐体的设计通常比较复杂，包括罐筒，封头，内部加热管以及外部钢架等.而模拟仿真结果的准确性与模型精确、简化的建立密不可分，在不影响其运算精确度的情况下，必须要对实际模型做简化处理.本文只是研究保温材料厚度的不同组合对罐体保温效果的影响，所以针对保温罐车实际的模型，去除其外部大型钢架，进放料口等结构，只保留罐体表面保温层和罐体内部的加热管.模型简化后如图1所示.

图1 罐体模型

1.2网格划分

在进入数值计算前，首先要将计算区域离散化［5］，利用计算网格把流动区域分为离散的控制体积;在每个控制体积上积分控制方程，形成诸如速度、压力、温度等的未知离散变量的代数方程;把离散的非线性方程组线性化;求解该方程组，得到更新的变量值.而网格是离散的基础，是控制方程离散的基础单元，网格节点是离散化的物理量的存储位置.这就需要对模型的计算区域进行网格划分［6］，网格划分的合理性以及网格的质量直接影响着流场模拟计算的精度和运算效率.所以在简化好罐体模型后，需要对其进行网格的划分.整个计算网格采用四面体单元，网格整体质量良好.

1.3计算工况

该罐体保温层采用复合保温结构，与罐体表面接触的保温层材料为岩棉，岩棉外部为聚氨酯保温层，两者的总厚度为70 mm;罐体外表面附有槽钢结构，其高度为60 mm，在槽钢结构的表面附有10 mm的岩棉保温层，总厚度为70 mm.罐体外部保温材料的性能参数如表1所示，计算工况如下:罐外环境温度为20℃，罐内溶液体积占比为95%，罐内空气占比为5%，罐内溶液初始温度为120℃，计算时间为24 h.

表1 罐体外壁保温材料性能参数

罐体外壁保温层总厚度保持70 mm不变，对比分析不同厚度的聚氨酯和岩棉组合时对罐体保温性能的影响，本文建立了4种不同厚度的聚氨酯和岩棉的组合，选取聚氨酯的厚度分别为10、15、20、25 mm，对应的岩棉的厚度为60、55、50、45 mm.

2 算法原理与数值计算

2.1 VOF模型

VOF［7］( volume of fluid)模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或三种不能混合的流体.在VOF模型中，将相的体积分数作为变量引入计算单元中，气体和液体分别设定为第一相和第二相.由于罐体中存在5%的空气和95%的溶液，并且要得出其具体的温度变化趋势，所以在数值计算中采用此模型，空气为一相，溶液为二相.初始条件设置如图2所示，从里到外依次为运输溶液，空气和保温材料.

图2 初始罐内相分布图

2.2数值模型

为了准确的模拟出罐体外壁保温材料不同厚度组合时，罐体内部溶液在24 h内的温度变化，势必要设置合理的边界条件，以便于得出最为准确的数值计算结果.罐体内部加热管边界条件设置为绝热，罐体钢表面边界条件设置为耦合.

罐体内为气液两相流模型，采用非定常的计算格式，用SIMPLEC算法进行计算.离散方程时，对流项采用二阶迎风格式，粘性项采用二阶中心差分格式.湍流模型采用标准的k-ε湍流模型.

3 计算结果分析

3.1保温罐体内溶液温度分布云图分析

( 1)保温层采用20 mm的聚氨酯和50 mm的岩棉

由图3( a)可以看出，罐体外表面为保温层，温度为25℃左右，罐体顶部温度分层明显，且温度由外向内逐渐增加到120℃，直至与罐体内部溶液上层表面接触，其原因是由于罐体顶部有5%的空气，存在对流换热.由于此时罐车运行时间相对较短，罐内溶液大部分区域温度为120℃.随着罐车运行到24 h，如图3( b)所示，罐体内溶液的温度明显下降，罐内溶液高温区域减小，温度由内向外逐渐降低.此时罐体近壁区的沥青溶液温度下降明显，靠近罐体壁面周围的溶液温度90～100℃，中心区域沥青溶液的温度最高接近120℃.

图3 罐体纵向中心竖直截面温度分布云图

( 2)保温层采用10 mm的聚氨酯和60 mm的岩棉

图4( a)可以看出，罐体外表面为保温层，温度为20℃;罐体顶部占有5%空气，从罐壁到气液接触处温度呈现上升趋势;紧邻保温层的沥青溶液，温度为115℃左右，由于此时运输时间相对较短，罐中大部分区域沥青溶液温度为120℃.随着罐车的运行，罐内沥青溶液由外向内温度逐渐下降，罐内中心120℃高温区域很小.此时罐体上部近壁区的沥青溶液温度为100℃左右，罐体中心沥青溶液温度为115℃左右，靠近罐体壁面周围的沥青溶液温度90～100℃，如图4( b)所示.

两种不同厚度保温材料组合时，在同一时刻罐体纵向中心竖直截面温度分布云图对比如上图所示.可知罐车在运行0.1 h时刻，罐体内溶液温度的变化基本相同.罐车在经过长时间运行到24 h之后，采用20 mm厚度聚氨酯和50 mm厚度岩棉作为保温层的罐体和采用10 mm厚度聚氨酯和60 mm厚度岩棉作为保温层的罐体相比较，前者内部溶液中心的高温区域面积较大，而两种组合靠近罐体壁面区域的溶液温度基本保持在90～100℃.

图4 罐体纵向中心竖直截面温度分布云图

3.2保温罐体内监测点温度变化分析

由于罐体内外温差的作用，存在着热量传递，所以罐体内部温度随着时间逐渐降低.为了更好地体现罐体内部溶液温度的具体变化，在罐体纵向中心竖直截面上选取了11个监测点.分别在岩棉保温层，聚氨酯保温层，罐体内溶液，从左向右依次取点，用大写字母A～K表示，如图5所示.罐体左右取点呈现对称分布，点的坐标及位置如表2所示.

图5 罐体纵向中心竖直截面检测点的分布

随着罐车的运行，采用不同保温层组合的罐体，在不同时刻，其内部各个监测点的温度变化统计如表3所示.

表2 罐体纵向中心竖直截面中各检测点的坐标

表3 罐体纵向中心竖直截面上各检测点的温度随时间变化对比 ℃

监测点C (位于罐体内近壁区，距离左端最外侧表面100 mm)的温度随时间的变化情况，如图6( a)所示，可以看出，当罐体外壁采用不同厚度的聚氨酯和岩棉组合设计时，罐体内近壁区的溶液在不同时间段的温度变化趋势不同.在0.1～5. 56 h时，四种情况的温度变化趋势基本一样.而随着罐车运行到5.56 h以后，采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的岩棉作为罐体保温层，监测点C的温度下降趋势较快，相同时刻的温度值较其他三种情况低1.0～1.6℃，而当采用其他厚度的保温材料组合时，罐体内溶液温度的变化趋势基本一样.所以较检测点C的温度变化，采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的岩棉作为保温层时，罐体保温效果较差.监测点K (罐体内溶液的中心点)的温度随时间变化的情况如图6( b)所示，5.56 h以前，罐体内溶液中心点K的温度保持120℃不变;随着罐车的运行，点K的温度逐渐下降，其趋势基本一样;到19.44 h以后，当采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的岩棉作为罐体保温层时，中心点K的温度下降趋势较缓，较其他三种保温材料的组合，温度偏高0.1～0. 3℃.图6( c)是监测点E (距离罐体左端最外侧表面1 196 mm)的温度随时间的变化情况，可以看出，5.56 h以前，罐体内监测点E的温度保持120℃不变，随着罐车运行时间的变化，点E的温度不断下降，其中采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的岩棉作为罐体保温层，监测点E的温度下降趋势较缓.罐车运行到11.11 h以后，罐体保温层采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的岩棉时，同一时刻的温度值较其他三种保温层组合，温度偏高0.1～0.3℃.

图6 不同厚度保温材料组合的温度随时间变化

4 计算方法的验证

本文是对保温罐体内部溶液温度的传热状况进行仿真分析，为了说明文中所采用的数值计算方法正确有效，就必须和罐车在实验工况下所测得的数据进行对比验证.所以采用本文中同样的数值计算方法，对在实验工况下运行的罐车进行模拟仿真，所得数据与实测数据比较分析.

罐车在实验工况中，罐体内溶液的初始温度为150℃，环境温度为27℃，罐体外壁的保温层为50 mm厚度的岩棉和20 mm厚度的聚氨酯.罐车在运行24 h之后，实际测得温度为135℃，监测点在罐体出料口侧上方内侧200 mm处(对应到本文模拟坐标系中的点坐标为X =2470 mm，Y =830 mm，Z =－790 mm).而采用本文的数值计算方法模拟实际运行的工况时，24 h之后相同监测点(即X = 2 470 mm，Y =830 mm，Z =－790 mm)所测得的温度为134.2℃，相对误差为0.6%.

经过与实际工况所测得的数据相比较，本文所提供的数值计算方法结果可靠.

5 结论

本文通过对保温罐体内部溶液的温度场进行数值仿真计算，对比分析了采用不同厚度保温材料组合时，不同时刻罐体内部溶液的温度，得出如下结论:

( 1)保温罐体内流体温度场的数值仿真显示出了运输液体在罐车运行中具体时刻的温度分布及其具体数值，对保温罐体的保温结构设计以及外部保温材料的选择有一定指导意义;

( 2)不同厚度保温材料组合时，罐体内部温度云图显示，不同温度的区域面积不一样，说明其保温效果不一样;

( 3)通过对罐内监测点的温度变化进行对比，分析得到:在罐车运行到5.56 h以前，四种不同工况下的保温罐体内温度下降趋势基本相同; 5.56 h以后，其趋势开始变化，温度变化不同;

( 4)综合比较:在罐车的运行过程中，当采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的岩棉作为保温层时，罐体的保温效果较好，溶液中心区域温度达116.8℃，近壁区温度为98.5℃.当采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的岩棉作为保温层时，罐体的保温效果较差，溶液中心区域温度达116.7℃，近壁区温度为96.3℃，其他两种工况的保温效果介于两者之间.

［1］蔡彬.各种保温罐保温性能的理论计算及应用［J］.Aterials Protection，1995，28( 12) : 26-28.

［2］谢少华，陈国定，孙恒超.保温罐车液体热量散逸及保持分析［J］.械科学与技术，2012，31( 10) : 1605-1609.

［3］司马英杰，祁小兵，孟岚.储油罐内温度场分布的模拟计算［J］.气田地面工程，2012，31( 9) : 30-31.

［4］胡碧阳，曹婷，赵悟，等.沥青混合料保温箱的传热分析及改进［J］.工程机械，2012，43( 3) : 36-39.

［5］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［6］李春光，朱宇飞，刘丰，等.基于四边形网格的下限原理有限元法［J］.岩石力学与工程学报，2012( 3) : 461-468.

［7］张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用技术［J］.水利水电科技进展，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

王东屏( 1962－)，女，教授，博士，主要从事空气动力学的研究

E-mail: wdp@163.com.