保溫罐車內(nèi)部溫度場數(shù)值分析

王東屏，尤明，田磊，董華軍( .大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連608; .中國北車集團(tuán)齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司大連研發(fā)中心，遼寧大連605)*

保溫罐車內(nèi)部溫度場數(shù)值分析

王東屏1，尤明1，田磊2，董華軍1
( 1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028; 2.中國北車集團(tuán)齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司大連研發(fā)中心，遼寧大連116052)*

為了獲取保溫罐車的最佳保溫性能，以保溫罐車為研究對(duì)象，建立了符合其實(shí)際運(yùn)行工況的三維數(shù)值計(jì)算模型.運(yùn)用SIMPLE算法和VOF模型，對(duì)保溫罐體內(nèi)部溶液溫度的傳熱狀況進(jìn)行仿真分析.罐體外壁保溫層的總厚度不變，保溫材料為聚氨酯和巖棉，通過改變聚氨酯和巖棉各自的厚度，來對(duì)比分析當(dāng)保溫材料厚度組合不同時(shí)，保溫罐車在24 h運(yùn)行過程中，罐體內(nèi)部溶液的溫度變化規(guī)律及其分布.計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層時(shí)，罐體的保溫效果最好.計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)吻合，計(jì)算方法真實(shí)可靠.

數(shù)值仿真;溫度場;保溫材料;保溫罐車

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，工程領(lǐng)域?qū)Ω鞣N溶液運(yùn)輸罐的保溫性能要求越來越高，因而有關(guān)保溫罐的溫度場分析顯得尤為重要.國內(nèi)計(jì)算運(yùn)輸罐車的保溫性能，一般采用計(jì)算其綜合傳熱系數(shù)的方法，誤差較大，因?yàn)楸夭牧系膫鳠徇^程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱問題［1］.謝少華［2］等采用了ANSYS商業(yè)軟件探討了保溫層厚度，材料和車輛行駛速度等結(jié)構(gòu)工況對(duì)罐內(nèi)液體瞬態(tài)溫度場的影響.司馬英杰［3］等利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算了5種假定工況下的儲(chǔ)油罐內(nèi)部溫度分布.胡碧陽［4］等運(yùn)用Fluent軟件對(duì)瀝青混合料保溫箱進(jìn)行傳熱仿真，并針對(duì)其存在的不足進(jìn)行改進(jìn).上述研究并未涉及到兩種保溫材料的厚度不同組合時(shí)對(duì)保溫罐體保溫性能的影響.本文對(duì)保溫罐體內(nèi)部溶液及外層保溫材料的傳熱過程進(jìn)行仿真分析，通過非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得出采用不同厚度的聚氨酯和巖棉組合作為罐體保溫層時(shí)，其內(nèi)部溶液的溫度分布情況及具體數(shù)值.總結(jié)出當(dāng)罐體保溫層采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉組合時(shí)的設(shè)計(jì)效果最佳，對(duì)保溫罐體的隔熱設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持.

1 計(jì)算模型

1.1建立模型

由于要實(shí)現(xiàn)其長時(shí)間的保溫性能并且便于運(yùn)輸，保溫罐體的設(shè)計(jì)通常比較復(fù)雜，包括罐筒，封頭，內(nèi)部加熱管以及外部鋼架等.而模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型精確、簡化的建立密不可分，在不影響其運(yùn)算精確度的情況下，必須要對(duì)實(shí)際模型做簡化處理.本文只是研究保溫材料厚度的不同組合對(duì)罐體保溫效果的影響，所以針對(duì)保溫罐車實(shí)際的模型，去除其外部大型鋼架，進(jìn)放料口等結(jié)構(gòu)，只保留罐體表面保溫層和罐體內(nèi)部的加熱管.模型簡化后如圖1所示.

圖1 罐體模型

1.2網(wǎng)格劃分

在進(jìn)入數(shù)值計(jì)算前，首先要將計(jì)算區(qū)域離散化［5］，利用計(jì)算網(wǎng)格把流動(dòng)區(qū)域分為離散的控制體積;在每個(gè)控制體積上積分控制方程，形成諸如速度、壓力、溫度等的未知離散變量的代數(shù)方程;把離散的非線性方程組線性化;求解該方程組，得到更新的變量值.而網(wǎng)格是離散的基礎(chǔ)，是控制方程離散的基礎(chǔ)單元，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是離散化的物理量的存儲(chǔ)位置.這就需要對(duì)模型的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分［6］，網(wǎng)格劃分的合理性以及網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響著流場模擬計(jì)算的精度和運(yùn)算效率.所以在簡化好罐體模型后，需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分.整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格采用四面體單元，網(wǎng)格整體質(zhì)量良好.

1.3計(jì)算工況

該罐體保溫層采用復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，與罐體表面接觸的保溫層材料為巖棉，巖棉外部為聚氨酯保溫層，兩者的總厚度為70 mm;罐體外表面附有槽鋼結(jié)構(gòu)，其高度為60 mm，在槽鋼結(jié)構(gòu)的表面附有10 mm的巖棉保溫層，總厚度為70 mm.罐體外部保溫材料的性能參數(shù)如表1所示，計(jì)算工況如下:罐外環(huán)境溫度為20℃，罐內(nèi)溶液體積占比為95%，罐內(nèi)空氣占比為5%，罐內(nèi)溶液初始溫度為120℃，計(jì)算時(shí)間為24 h.

表1 罐體外壁保溫材料性能參數(shù)

罐體外壁保溫層總厚度保持70 mm不變，對(duì)比分析不同厚度的聚氨酯和巖棉組合時(shí)對(duì)罐體保溫性能的影響，本文建立了4種不同厚度的聚氨酯和巖棉的組合，選取聚氨酯的厚度分別為10、15、20、25 mm，對(duì)應(yīng)的巖棉的厚度為60、55、50、45 mm.

2 算法原理與數(shù)值計(jì)算

2.1 VOF模型

VOF［7］( volume of fluid)模型通過求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬兩種或三種不能混合的流體.在VOF模型中，將相的體積分?jǐn)?shù)作為變量引入計(jì)算單元中，氣體和液體分別設(shè)定為第一相和第二相.由于罐體中存在5%的空氣和95%的溶液，并且要得出其具體的溫度變化趨勢，所以在數(shù)值計(jì)算中采用此模型，空氣為一相，溶液為二相.初始條件設(shè)置如圖2所示，從里到外依次為運(yùn)輸溶液，空氣和保溫材料.

圖2 初始罐內(nèi)相分布圖

2.2數(shù)值模型

為了準(zhǔn)確的模擬出罐體外壁保溫材料不同厚度組合時(shí)，罐體內(nèi)部溶液在24 h內(nèi)的溫度變化，勢必要設(shè)置合理的邊界條件，以便于得出最為準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果.罐體內(nèi)部加熱管邊界條件設(shè)置為絕熱，罐體鋼表面邊界條件設(shè)置為耦合.

罐體內(nèi)為氣液兩相流模型，采用非定常的計(jì)算格式，用SIMPLEC算法進(jìn)行計(jì)算.離散方程時(shí)，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，粘性項(xiàng)采用二階中心差分格式.湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1保溫罐體內(nèi)溶液溫度分布云圖分析

( 1)保溫層采用20 mm的聚氨酯和50 mm的巖棉

由圖3( a)可以看出，罐體外表面為保溫層，溫度為25℃左右，罐體頂部溫度分層明顯，且溫度由外向內(nèi)逐漸增加到120℃，直至與罐體內(nèi)部溶液上層表面接觸，其原因是由于罐體頂部有5%的空氣，存在對(duì)流換熱.由于此時(shí)罐車運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短，罐內(nèi)溶液大部分區(qū)域溫度為120℃.隨著罐車運(yùn)行到24 h，如圖3( b)所示，罐體內(nèi)溶液的溫度明顯下降，罐內(nèi)溶液高溫區(qū)域減小，溫度由內(nèi)向外逐漸降低.此時(shí)罐體近壁區(qū)的瀝青溶液溫度下降明顯，靠近罐體壁面周圍的溶液溫度90～100℃，中心區(qū)域?yàn)r青溶液的溫度最高接近120℃.

圖3 罐體縱向中心豎直截面溫度分布云圖

( 2)保溫層采用10 mm的聚氨酯和60 mm的巖棉

圖4( a)可以看出，罐體外表面為保溫層，溫度為20℃;罐體頂部占有5%空氣，從罐壁到氣液接觸處溫度呈現(xiàn)上升趨勢;緊鄰保溫層的瀝青溶液，溫度為115℃左右，由于此時(shí)運(yùn)輸時(shí)間相對(duì)較短，罐中大部分區(qū)域?yàn)r青溶液溫度為120℃.隨著罐車的運(yùn)行，罐內(nèi)瀝青溶液由外向內(nèi)溫度逐漸下降，罐內(nèi)中心120℃高溫區(qū)域很小.此時(shí)罐體上部近壁區(qū)的瀝青溶液溫度為100℃左右，罐體中心瀝青溶液溫度為115℃左右，靠近罐體壁面周圍的瀝青溶液溫度90～100℃，如圖4( b)所示.

兩種不同厚度保溫材料組合時(shí)，在同一時(shí)刻罐體縱向中心豎直截面溫度分布云圖對(duì)比如上圖所示.可知罐車在運(yùn)行0.1 h時(shí)刻，罐體內(nèi)溶液溫度的變化基本相同.罐車在經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行到24 h之后，采用20 mm厚度聚氨酯和50 mm厚度巖棉作為保溫層的罐體和采用10 mm厚度聚氨酯和60 mm厚度巖棉作為保溫層的罐體相比較，前者內(nèi)部溶液中心的高溫區(qū)域面積較大，而兩種組合靠近罐體壁面區(qū)域的溶液溫度基本保持在90～100℃.

圖4 罐體縱向中心豎直截面溫度分布云圖

3.2保溫罐體內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)溫度變化分析

由于罐體內(nèi)外溫差的作用，存在著熱量傳遞，所以罐體內(nèi)部溫度隨著時(shí)間逐漸降低.為了更好地體現(xiàn)罐體內(nèi)部溶液溫度的具體變化，在罐體縱向中心豎直截面上選取了11個(gè)監(jiān)測點(diǎn).分別在巖棉保溫層，聚氨酯保溫層，罐體內(nèi)溶液，從左向右依次取點(diǎn)，用大寫字母A～K表示，如圖5所示.罐體左右取點(diǎn)呈現(xiàn)對(duì)稱分布，點(diǎn)的坐標(biāo)及位置如表2所示.

圖5 罐體縱向中心豎直截面檢測點(diǎn)的分布

隨著罐車的運(yùn)行，采用不同保溫層組合的罐體，在不同時(shí)刻，其內(nèi)部各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化統(tǒng)計(jì)如表3所示.

表2 罐體縱向中心豎直截面中各檢測點(diǎn)的坐標(biāo)

表3 罐體縱向中心豎直截面上各檢測點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化對(duì)比 ℃

監(jiān)測點(diǎn)C (位于罐體內(nèi)近壁區(qū)，距離左端最外側(cè)表面100 mm)的溫度隨時(shí)間的變化情況，如圖6( a)所示，可以看出，當(dāng)罐體外壁采用不同厚度的聚氨酯和巖棉組合設(shè)計(jì)時(shí)，罐體內(nèi)近壁區(qū)的溶液在不同時(shí)間段的溫度變化趨勢不同.在0.1～5. 56 h時(shí)，四種情況的溫度變化趨勢基本一樣.而隨著罐車運(yùn)行到5.56 h以后，采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層，監(jiān)測點(diǎn)C的溫度下降趨勢較快，相同時(shí)刻的溫度值較其他三種情況低1.0～1.6℃，而當(dāng)采用其他厚度的保溫材料組合時(shí)，罐體內(nèi)溶液溫度的變化趨勢基本一樣.所以較檢測點(diǎn)C的溫度變化，采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的巖棉作為保溫層時(shí)，罐體保溫效果較差.監(jiān)測點(diǎn)K (罐體內(nèi)溶液的中心點(diǎn))的溫度隨時(shí)間變化的情況如圖6( b)所示，5.56 h以前，罐體內(nèi)溶液中心點(diǎn)K的溫度保持120℃不變;隨著罐車的運(yùn)行，點(diǎn)K的溫度逐漸下降，其趨勢基本一樣;到19.44 h以后，當(dāng)采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層時(shí)，中心點(diǎn)K的溫度下降趨勢較緩，較其他三種保溫材料的組合，溫度偏高0.1～0. 3℃.圖6( c)是監(jiān)測點(diǎn)E (距離罐體左端最外側(cè)表面1 196 mm)的溫度隨時(shí)間的變化情況，可以看出，5.56 h以前，罐體內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)E的溫度保持120℃不變，隨著罐車運(yùn)行時(shí)間的變化，點(diǎn)E的溫度不斷下降，其中采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為罐體保溫層，監(jiān)測點(diǎn)E的溫度下降趨勢較緩.罐車運(yùn)行到11.11 h以后，罐體保溫層采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉時(shí)，同一時(shí)刻的溫度值較其他三種保溫層組合，溫度偏高0.1～0.3℃.

圖6 不同厚度保溫材料組合的溫度隨時(shí)間變化

4 計(jì)算方法的驗(yàn)證

本文是對(duì)保溫罐體內(nèi)部溶液溫度的傳熱狀況進(jìn)行仿真分析，為了說明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法正確有效，就必須和罐車在實(shí)驗(yàn)工況下所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.所以采用本文中同樣的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)在實(shí)驗(yàn)工況下運(yùn)行的罐車進(jìn)行模擬仿真，所得數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)比較分析.

罐車在實(shí)驗(yàn)工況中，罐體內(nèi)溶液的初始溫度為150℃，環(huán)境溫度為27℃，罐體外壁的保溫層為50 mm厚度的巖棉和20 mm厚度的聚氨酯.罐車在運(yùn)行24 h之后，實(shí)際測得溫度為135℃，監(jiān)測點(diǎn)在罐體出料口側(cè)上方內(nèi)側(cè)200 mm處(對(duì)應(yīng)到本文模擬坐標(biāo)系中的點(diǎn)坐標(biāo)為X =2470 mm，Y =830 mm，Z =－790 mm).而采用本文的數(shù)值計(jì)算方法模擬實(shí)際運(yùn)行的工況時(shí)，24 h之后相同監(jiān)測點(diǎn)(即X = 2 470 mm，Y =830 mm，Z =－790 mm)所測得的溫度為134.2℃，相對(duì)誤差為0.6%.

經(jīng)過與實(shí)際工況所測得的數(shù)據(jù)相比較，本文所提供的數(shù)值計(jì)算方法結(jié)果可靠.

5 結(jié)論

本文通過對(duì)保溫罐體內(nèi)部溶液的溫度場進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)比分析了采用不同厚度保溫材料組合時(shí)，不同時(shí)刻罐體內(nèi)部溶液的溫度，得出如下結(jié)論:

( 1)保溫罐體內(nèi)流體溫度場的數(shù)值仿真顯示出了運(yùn)輸液體在罐車運(yùn)行中具體時(shí)刻的溫度分布及其具體數(shù)值，對(duì)保溫罐體的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及外部保溫材料的選擇有一定指導(dǎo)意義;

( 2)不同厚度保溫材料組合時(shí)，罐體內(nèi)部溫度云圖顯示，不同溫度的區(qū)域面積不一樣，說明其保溫效果不一樣;

( 3)通過對(duì)罐內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行對(duì)比，分析得到:在罐車運(yùn)行到5.56 h以前，四種不同工況下的保溫罐體內(nèi)溫度下降趨勢基本相同; 5.56 h以后，其趨勢開始變化，溫度變化不同;

( 4)綜合比較:在罐車的運(yùn)行過程中，當(dāng)采用20 mm厚度的聚氨酯和50 mm厚度的巖棉作為保溫層時(shí)，罐體的保溫效果較好，溶液中心區(qū)域溫度達(dá)116.8℃，近壁區(qū)溫度為98.5℃.當(dāng)采用10 mm厚度的聚氨酯和60 mm厚度的巖棉作為保溫層時(shí)，罐體的保溫效果較差，溶液中心區(qū)域溫度達(dá)116.7℃，近壁區(qū)溫度為96.3℃，其他兩種工況的保溫效果介于兩者之間.

［1］蔡彬.各種保溫罐保溫性能的理論計(jì)算及應(yīng)用［J］.Aterials Protection，1995，28( 12) : 26-28.

［2］謝少華，陳國定，孫恒超.保溫罐車液體熱量散逸及保持分析［J］.械科學(xué)與技術(shù)，2012，31( 10) : 1605-1609.

［3］司馬英杰，祁小兵，孟嵐.儲(chǔ)油罐內(nèi)溫度場分布的模擬計(jì)算［J］.氣田地面工程，2012，31( 9) : 30-31.

［4］胡碧陽，曹婷，趙悟，等.瀝青混合料保溫箱的傳熱分析及改進(jìn)［J］.工程機(jī)械，2012，43( 3) : 36-39.

［5］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［6］李春光，朱宇飛，劉豐，等.基于四邊形網(wǎng)格的下限原理有限元法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012( 3) : 461-468.

［7］張健，方杰，范波芹.VOF方法理論與應(yīng)用技術(shù)［J］.水利水電科技進(jìn)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

王東屏( 1962－)，女，教授，博士，主要從事空氣動(dòng)力學(xué)的研究

E-mail: wdp@163.com.