玻璃鋼箱體隔熱性能模擬分析

李州 LI Zhou；李鵬峰 LI Peng-feng

（青島四三零八機械廠，青島 266044）

0 引言

玻璃鋼箱體對裝備產(chǎn)品存儲、地面運輸?shù)冗^程具有保護作用。具有防潮密封、防腐蝕、運輸過程的防震保護和位置固定等功能[1]。隨著科學技術(shù)發(fā)展，裝備的應(yīng)用場合不再是環(huán)境條件良好的庫房條件，室外日照條件也是應(yīng)用場景之一。因此，玻璃鋼箱體的隔熱設(shè)計是十分必要的[2]。

玻璃鋼箱體的隔熱不僅僅局限于隔熱系數(shù)、材料應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，為達到設(shè)計指標，結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后對玻璃鋼箱體進行隔熱模擬分析，做到提前模擬、提前預知隔熱狀態(tài)及隔熱能力，指導玻璃鋼箱體設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計。

1 實體模型

如圖1所示為玻璃鋼箱體主體結(jié)構(gòu)。模型設(shè)置兩道主梁、貨叉孔、前后儀表窗口及密封槽。

圖1 玻璃鋼箱體整體結(jié)構(gòu)圖

由于需要計算該模型在高溫環(huán)境下的溫度場的分布，建立了該包裝箱所處的外部環(huán)境，重新構(gòu)建了其外表面和內(nèi)部的固體模型，且保證了最大限度地保留箱體表面的特征，其內(nèi)部的固體域根據(jù)實體模型原有形狀進行簡化[3]。

2 計算工況

某包裝箱處于高日照強度下，環(huán)境壓力為1個大氣壓，包裝箱體表面初始溫度分別為70℃、60℃、50℃。

3 網(wǎng)格劃分

為保證某包裝箱模型的結(jié)構(gòu)特征及網(wǎng)格質(zhì)量，對其采用多面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格總數(shù)約為350萬。模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 某包裝箱的網(wǎng)格截面圖示

4 求解設(shè)置

4.1 物質(zhì)模型及屬性

本計算選用兩方程的湍流模型及能量方程。根據(jù)所提供的溫升計算說明，空氣采用理想狀態(tài)下的物質(zhì)屬性，如表1所示。其余箱體內(nèi)外部件所選計算材料鋼及其物性參數(shù)如表2所示。

表1 空氣的物性參數(shù)

表2 箱體內(nèi)外部件的物性參數(shù)

4.2 邊界條件

設(shè)置工作環(huán)境大氣壓為101325Pa，環(huán)境溫度分別為70℃、60℃、50℃，箱體壁面的初始溫度分別為70℃、60℃、50℃，箱體內(nèi)域初始工作溫度為20℃；根據(jù)要求，箱體的壁面為聚氨酯和橡膠材料，其內(nèi)部件設(shè)為可傳熱邊界，即熱傳導邊界。該箱體為靜止狀態(tài)，其內(nèi)無內(nèi)熱源，箱體壁面與外界環(huán)境間的內(nèi)部面設(shè)置箱體壁面材料的熱阻。

5 計算結(jié)果分析

5.1 箱體工作溫度為70℃

5.1.1 箱體表面及其內(nèi)各橫縱截面的溫度場分析

圖3是該包裝箱在箱體工作溫度為70℃時，箱體表面及其內(nèi)各縱截面的溫度場云圖。從圖中可以看出，箱體在內(nèi)部固體設(shè)置少的部分傳熱速率較慢，故溫度升高較快。在內(nèi)部固體面積較多的位置，箱體內(nèi)溫度傳向固體域，故壁面溫度升高較慢，由于本項目中固體域的結(jié)構(gòu)較規(guī)則，所以壁面溫升較均勻。在箱體底面支架處溫度較高，這或許由于箱體平放于底面上，支架底面與環(huán)境地面接觸，其所圍下箱體底面處空間較小，環(huán)境氣流所帶走的熱量較少，故升溫明顯?？傮w上，箱體底面的壁面溫升較箱體的其他壁面溫度場分布的值較高，且壁面的最高溫與最低溫相差達15℃。

圖3 工作溫度為70℃時某包裝箱表面溫度場云圖

從圖4可得各截面溫度分布較高處與圖3中箱體壁面溫度分布的趨勢一致。明顯地，在YZ截面上的溫度場分布可以看出，從進口流向出口的方向，迎著進口處靠近底部壁面的溫度較高，在箱體內(nèi)裝有固體域處，溫度分布較均勻，溫度值最低。從XY截面上的溫度場分布可以明顯看出從箱體上壁面到底部壁面各層的溫度值（在靠近進口處）逐漸升高，而箱內(nèi)固體域處溫度分布均勻，溫升較低。同理XZ截面上的溫度場分布亦明顯得出，上壁面較底部壁面的溫度低，從實體域中心向外溫度值逐漸增大。

圖4 工作溫度為70℃時某包裝箱XY截面溫度場云圖

5.1.2 箱體及其內(nèi)各截面的溫度值及箱內(nèi)溫升

表3所示為包裝箱在箱體初始溫度為70℃時，箱體表面及其內(nèi)各橫截面的溫度最高值、平均值及最高溫升和平均溫升。

表3 工作溫度為70℃時箱體表面及其內(nèi)各截面溫度值

可以看出，箱體的最高溫度值分布在箱體的表面，值為43.35℃，箱體內(nèi)最高溫度值在XZ（-1.5），值為43.25℃，最低溫度值在XZ（0.4）截面處，值為33.85℃，那么，相較于工作溫度，箱體壁面最高溫升為23.35℃，箱體內(nèi)最高溫升為23.25℃。

5.2 箱體工作溫度為60℃

5.2.1 箱體內(nèi)各橫縱截面的溫度場分析

圖5是該包裝箱在箱體工作溫度為60℃時，箱體表面及其內(nèi)各縱截面的溫度場云圖。圖6的溫度場分布與圖5中的溫度場分布趨勢一致。在箱體壁面溫度分布場中得出壁面的最高溫與最低溫相差13.46℃。

圖5 工作溫度為60℃時某包裝箱表面溫度場云圖

圖6 工作溫度為60℃時某包裝箱YZ截面溫度場云圖

5.2.2 箱體內(nèi)各截面的平均溫度值及溫升

表4所示為包裝箱在箱體初始溫度為60℃時，箱體表面及其內(nèi)各橫截面的溫度最高值、平均值及最高溫升和平均溫升。

表4 工作溫度為60℃時箱體表面及其內(nèi)各截面溫度平均值

可以看出，箱體的最高溫度值分布在箱體的表面，值為36.53℃，箱體內(nèi)最高溫度值在XZ（-1.5），值為36.45℃，最低溫度值在XZ（0.4）截面處，值為28.09℃。相較于工作溫度，箱體及其內(nèi)的最高溫升分別為16.53℃和16.45℃。

5.3 箱體工作溫度為50℃

5.3.1 箱體內(nèi)各橫縱截面的溫度場分析

圖7是該包裝箱在箱體工作溫度為50℃時，箱體表面及其內(nèi)各縱截面的溫度場云圖。圖8的溫度場分布與上述70℃和60℃溫度場分布趨勢一致。在箱體壁面溫度分布場中得出壁面的最高溫與最低溫相差10.1℃。

圖7 工作溫度為50℃時某包裝箱表面溫度場云圖

圖8 工作溫度為50℃時某包裝箱YZ截面溫度場云圖

5.3.2 箱體內(nèi)各截面的平均溫度值及溫升

表5所示為包裝箱在箱體初始溫度為50℃時，箱體表面及其內(nèi)各橫截面的溫度最高值、平均值及最高溫升和平均溫升?？梢钥闯?，箱體的最高溫度值分布在箱體的表面，值為32.4℃，箱體內(nèi)最高溫度值在XZ（-1.5），值為32.34℃，最低溫度值在XZ（0.4）截面處，值為26.07℃。相較于工作溫度，箱體及其內(nèi)的最高溫升分別為12.4℃和12.34℃。

表5 工作溫度為50℃時箱體表面及其內(nèi)各截面溫度值

6 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬，分別計算得出箱體環(huán)境溫度為70℃、60℃、50℃時的箱體壁面及其內(nèi)各截面的溫度分布及最高、平均溫度值。結(jié)合各工況計算的箱體壁面及其內(nèi)各截面的溫度分布圖及各截面的溫度最高和平均值，可直接得出該箱體在各個環(huán)境溫度下溫度指標。通過上述分析得出該箱體的設(shè)計在環(huán)境溫度除在70℃時不滿足隔熱設(shè)計要求外，60℃、50℃時均滿足壁面隔熱性能設(shè)計的要求，且環(huán)境溫度越低，箱內(nèi)升溫越慢，溫升值越小。