特种方舱传热系数的计算及优化研究

摘要：综合传热系数是特种方舱总体设计过程中的一个重要指标，对其计算用两种方法进行。先使用理论方法计算，在完成方舱分区结构三维模型后；再使用计算机仿真计算方法进行复核；最终得出方舱的综合传热系数。通过分析得出两种计算结果的区别，其主要原因在于端墙、舱顶等三维模型细化后的仿真计算更接近实际状态；同时提出方舱后续改善综合传热系数的重点方向在于舱顶与侧墙等热流值较大的结构件。

关键词：方舱；传热系数；设计过程；优化研究

中图分类号：U462 收稿日期：2023-09-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.013

1 前言

特种方舱总体设计包括方舱、环境保障和供配电方面的设计。方舱综合传热系数是受多种因素影响的重要参数之一。本文根据某型特种方舱的技术要求，在方舱结构设计初期进行理论模型计算，将方舱结构隔热层进行简化，对隔热桥、窗户等部件的影响作粗略估算，得到综合传热系数的参考值后优化方舱的结构设计。在完成方舱结构的三维模型后，根据流体力学的理论，使用软件对方舱的结构件进行较准确的仿真计算。然后与理论模型计算结果进行比较分析，并根据需要再次迭代优化方舱结构设计、环境保障和供配电的选型设计。

2 计算方法分析

2.1 理论计算方法

分层分区理论计算方法的原理是，根据内部结构的不同，将车体分成板壁、地板及门窗等典型结构。再从内向外，根据材料及其厚度的不同进行分层，依据各自所采用的材料、结构及厚度分别算出各结构的热阻抗，从而算出传热系数，最后根据各区域所占面积进行加权累加，得到整车的传热系数K值[1]。

在稳定情况下，对于组织均匀的方舱壁板（内部设有隔热桥，内外蒙皮间没有直接连接的金属构件），其传热系数可按多层平壁传热公式来计算：

式中，[aH]、[aB]分别为舱体内外壁表面换热系数，W/（m2·K）；[δi]、[δ]分别为各层材料的厚度及总厚度，m；[n]为层数；[λi]为各层材料的导热系数，W/（m·K）；[λE]为整个方舱壁板的当量导热系数，W/（m·K）。

分别计算出各区域的传热系数后，可按下式求出整个方舱的综合传热系数K：

式中，[Fi]为第i个方舱壁板的面积，m2；[Ki]为第i个方舱壁板的传热系数，W/（m2·K）。

对于方舱结构中所包含的类似于窗户、门等特殊结构件，它们的内外层之间可能存在各种形式的金属连接，形成热桥。因此在式（1）中计算方舱各板壁的传热系数时，剔除门、窗等的面积，取其传热系数的经验值作为参考依据，在式（2）中作为单独结构件来计算。

2.2 仿真计算方法

ANSYS软件是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其他热物理参数[2]。ANSYS有限元法既吸收了古典变分近似解析法即泛函求极值的基本原理，又采用了有限差分的离散化处理方法，突出了单元的作用和各单元的相互影响，计算精度也提高了很多[3]。热量传递可分成3种基本传递方式：热传导、热对流及热辐射[4]。结合传热理论和方舱内部的结构特点，本案例中的方舱传热系数计算包含有限空间的自然对流三维导热问题，或者纯导热问题，因此采用SIMPLE算法及其修正算法。

根据材料的热物性参数（导热系数和传热系数），应用FLUENT软件计算出热量[ϕ]，从而得到每个单元的K值。

由以下公式可得各部位等效传热系数：

式中，[ϕi]为舱体各部件热流值，W；[Fi]为舱体各部件的面积，m2；[∆t]为舱体内外侧空气温差，K；[Ki]为舱体各部件传热系数，W/（m2·K）。

计算得出舱体各部件的传热系数后，再使用式（2）计算出整个方舱的综合传热系数。

2.3 传热单元分区

舱体根据其结构特点分为9个区域：舱顶1和2、侧墙1和2、地板1和2、舱门、维修门、端墙1和2，部分单元分区见图1所示。

2.4 边界条件设置

考虑到计算结果在工程实际的环境工况和应用意义，本文仅研究传热过程的稳态工况。为了更好地表征不同材料层在传热计算时的温度关系，也便于仿真计算的可实现性，建立车体物理模型之前作如下假设：

a.整个舱体看作由多层材料组成的三维传热结构。

b.方舱内环境温度取305.65 K，对流传热系数为8W/（m2·K）；方舱外环境温度取280.65 K，与外环境接触处的壁面对流传热系数为16 W/（m2·K），方舱内外温差为25 K。

c.方舱内部保温层材料的材质均匀，其导热系数在温差较小的传热环境下为定值。

d.方舱结构蒙皮与保温层之间接触紧密结实，接触热阻忽略不计。

e.方舱内部无热源。

f.未考虑走线、走管等小型孔口，小金属零件，以及对传热系数的影响。

2.5 其他结构件参数

方舱上安装有玻璃窗、进出门和维修门等结构件，经查询相关经验数据，玻璃窗的传热系数为3.12 W/（m2·K），进出门和维修门的传热系数为5.3 W/（m2·K），此经验值可用于理论计算中参考。

3 理论计算

根据方舱主要结构件的分区和结构特点，分别核算其分层材料的导热系数[λi]，计算每个主要结构件的热阻值[δλE]。根据设定的方舱内表面对流传热系数和与外环境接触处的壁面对流传热系数，得出内外表面热阻值分别为0.125（m2·K）/W和0.062 5（m2·K）/W。

根据式（1），核算分区结构件的总热阻和总传热系数，结果如表1所示。

根据式（2），将各分区面积、传热系数综合计算，合并考虑前述玻璃窗和进出门的经验传热系数，得到方舱的总体综合传热系数为0.514 7 W/（m2·K），具体数据如表2所示。

4 仿真计算

根据方舱的主要分区结构件的特点，进行结构建模以及网格划分，边界处进行加密处理。在稳态传热工况下，对各分区结构件的模型进行传热仿真模拟计算，计算得到的温度分布云图见图3。

汇总计算得到的方舱主体部分基础热流值如表3所示。

根据式（1），计算车体综合传热系数为：

5 分析与结论

使用理论计算方法与仿真计算方法在不同设计阶段对方舱的综合传热系数K值进行了计算，分别为0.5147 W/（m2·K）和0.4777 W/（m2·K），两者相差约8%，具体区别如表4所示。

两种计算方法依据的结构分区面积均一致，综合传热系数计算结果稍有不同的原因有两点：a.后期仿真计算的结构状态与初期设计方案不同；b.理论计算中的车门、窗户等部件采用了传热系数的经验数据，与实际结构不完全相符。

本文案例在经过理论计算指导，仿真计算复核后，所得到的方舱综合传热系数置信度高，可以作为后续空调制冷制热负荷计算的参考输入。同时，也可用于指导方舱的后续详细设计，从车门、端墙、窗户等传热系数较高的部件继续优化传热结构设计，从舱顶、侧墙等热流占比较高的部件优化隔热材料或厚度等设计。

参考文献：

[1]胡翔云.车体隔热壁传热系数计算方法的分析比较[J].铁道车辆，1964（4）：8-15.

[2]沈祖锋.基于Ansys的热流计法墙体传热系数检测的研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[3]杜玉峰.客车车体隔热壁热工性能研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[4]丁华，李晨，王海军.军用方舱传热系数值的计算及优化研究[J].兵器装备工程学报，2019，40（7）：25-29.

作者简介：

毛子夏，男，1982年生，高级工程师，研究方向为专用特种车辆。