玻璃钢箱体隔热性能模拟分析

李州 LI Zhou；李鹏峰 LI Peng-feng

（青岛四三零八机械厂，青岛 266044）

0 引言

玻璃钢箱体对装备产品存储、地面运输等过程具有保护作用。具有防潮密封、防腐蚀、运输过程的防震保护和位置固定等功能[1]。随着科学技术发展，装备的应用场合不再是环境条件良好的库房条件，室外日照条件也是应用场景之一。因此，玻璃钢箱体的隔热设计是十分必要的[2]。

玻璃钢箱体的隔热不仅仅局限于隔热系数、材料应用及结构设计等方面，为达到设计指标，结构设计完成后对玻璃钢箱体进行隔热模拟分析，做到提前模拟、提前预知隔热状态及隔热能力，指导玻璃钢箱体设计、优化设计。

1 实体模型

如图1所示为玻璃钢箱体主体结构。模型设置两道主梁、货叉孔、前后仪表窗口及密封槽。

图1 玻璃钢箱体整体结构图

由于需要计算该模型在高温环境下的温度场的分布，建立了该包装箱所处的外部环境，重新构建了其外表面和内部的固体模型，且保证了最大限度地保留箱体表面的特征，其内部的固体域根据实体模型原有形状进行简化[3]。

2 计算工况

某包装箱处于高日照强度下，环境压力为1个大气压，包装箱体表面初始温度分别为70℃、60℃、50℃。

3 网格划分

为保证某包装箱模型的结构特征及网格质量，对其采用多面体网格划分。网格总数约为350万。模型网格划分见图2。

图2 某包装箱的网格截面图示

4 求解设置

4.1 物质模型及属性

本计算选用两方程的湍流模型及能量方程。根据所提供的温升计算说明，空气采用理想状态下的物质属性，如表1所示。其余箱体内外部件所选计算材料钢及其物性参数如表2所示。

表1 空气的物性参数

表2 箱体内外部件的物性参数

4.2 边界条件

设置工作环境大气压为101325Pa，环境温度分别为70℃、60℃、50℃，箱体壁面的初始温度分别为70℃、60℃、50℃，箱体内域初始工作温度为20℃；根据要求，箱体的壁面为聚氨酯和橡胶材料，其内部件设为可传热边界，即热传导边界。该箱体为静止状态，其内无内热源，箱体壁面与外界环境间的内部面设置箱体壁面材料的热阻。

5 计算结果分析

5.1 箱体工作温度为70℃

5.1.1 箱体表面及其内各横纵截面的温度场分析

图3是该包装箱在箱体工作温度为70℃时，箱体表面及其内各纵截面的温度场云图。从图中可以看出，箱体在内部固体设置少的部分传热速率较慢，故温度升高较快。在内部固体面积较多的位置，箱体内温度传向固体域，故壁面温度升高较慢，由于本项目中固体域的结构较规则，所以壁面温升较均匀。在箱体底面支架处温度较高，这或许由于箱体平放于底面上，支架底面与环境地面接触，其所围下箱体底面处空间较小，环境气流所带走的热量较少，故升温明显。总体上，箱体底面的壁面温升较箱体的其他壁面温度场分布的值较高，且壁面的最高温与最低温相差达15℃。

图3 工作温度为70℃时某包装箱表面温度场云图

从图4可得各截面温度分布较高处与图3中箱体壁面温度分布的趋势一致。明显地，在YZ截面上的温度场分布可以看出，从进口流向出口的方向，迎着进口处靠近底部壁面的温度较高，在箱体内装有固体域处，温度分布较均匀，温度值最低。从XY截面上的温度场分布可以明显看出从箱体上壁面到底部壁面各层的温度值（在靠近进口处）逐渐升高，而箱内固体域处温度分布均匀，温升较低。同理XZ截面上的温度场分布亦明显得出，上壁面较底部壁面的温度低，从实体域中心向外温度值逐渐增大。

图4 工作温度为70℃时某包装箱XY截面温度场云图

5.1.2 箱体及其内各截面的温度值及箱内温升

表3所示为包装箱在箱体初始温度为70℃时，箱体表面及其内各横截面的温度最高值、平均值及最高温升和平均温升。

表3 工作温度为70℃时箱体表面及其内各截面温度值

可以看出，箱体的最高温度值分布在箱体的表面，值为43.35℃，箱体内最高温度值在XZ（-1.5），值为43.25℃，最低温度值在XZ（0.4）截面处，值为33.85℃，那么，相较于工作温度，箱体壁面最高温升为23.35℃，箱体内最高温升为23.25℃。

5.2 箱体工作温度为60℃

5.2.1 箱体内各横纵截面的温度场分析

图5是该包装箱在箱体工作温度为60℃时，箱体表面及其内各纵截面的温度场云图。图6的温度场分布与图5中的温度场分布趋势一致。在箱体壁面温度分布场中得出壁面的最高温与最低温相差13.46℃。

图5 工作温度为60℃时某包装箱表面温度场云图

图6 工作温度为60℃时某包装箱YZ截面温度场云图

5.2.2 箱体内各截面的平均温度值及温升

表4所示为包装箱在箱体初始温度为60℃时，箱体表面及其内各横截面的温度最高值、平均值及最高温升和平均温升。

表4 工作温度为60℃时箱体表面及其内各截面温度平均值

可以看出，箱体的最高温度值分布在箱体的表面，值为36.53℃，箱体内最高温度值在XZ（-1.5），值为36.45℃，最低温度值在XZ（0.4）截面处，值为28.09℃。相较于工作温度，箱体及其内的最高温升分别为16.53℃和16.45℃。

5.3 箱体工作温度为50℃

5.3.1 箱体内各横纵截面的温度场分析

图7是该包装箱在箱体工作温度为50℃时，箱体表面及其内各纵截面的温度场云图。图8的温度场分布与上述70℃和60℃温度场分布趋势一致。在箱体壁面温度分布场中得出壁面的最高温与最低温相差10.1℃。

图7 工作温度为50℃时某包装箱表面温度场云图

图8 工作温度为50℃时某包装箱YZ截面温度场云图

5.3.2 箱体内各截面的平均温度值及温升

表5所示为包装箱在箱体初始温度为50℃时，箱体表面及其内各横截面的温度最高值、平均值及最高温升和平均温升。可以看出，箱体的最高温度值分布在箱体的表面，值为32.4℃，箱体内最高温度值在XZ（-1.5），值为32.34℃，最低温度值在XZ（0.4）截面处，值为26.07℃。相较于工作温度，箱体及其内的最高温升分别为12.4℃和12.34℃。

表5 工作温度为50℃时箱体表面及其内各截面温度值

6 结论

本文通过数值模拟，分别计算得出箱体环境温度为70℃、60℃、50℃时的箱体壁面及其内各截面的温度分布及最高、平均温度值。结合各工况计算的箱体壁面及其内各截面的温度分布图及各截面的温度最高和平均值，可直接得出该箱体在各个环境温度下温度指标。通过上述分析得出该箱体的设计在环境温度除在70℃时不满足隔热设计要求外，60℃、50℃时均满足壁面隔热性能设计的要求，且环境温度越低，箱内升温越慢，温升值越小。