李州 LI Zhou；李鵬峰 LI Peng-feng

（青島四三零八機(jī)械廠(chǎng)，青島 266044）

0 引言

玻璃鋼箱體對(duì)裝備產(chǎn)品存儲(chǔ)、地面運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程具有保護(hù)作用。具有防潮密封、防腐蝕、運(yùn)輸過(guò)程的防震保護(hù)和位置固定等功能[1]。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，裝備的應(yīng)用場(chǎng)合不再是環(huán)境條件良好的庫(kù)房條件，室外日照條件也是應(yīng)用場(chǎng)景之一。因此，玻璃鋼箱體的隔熱設(shè)計(jì)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(jì)等方面，為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后對(duì)玻璃鋼箱體進(jìn)行隔熱模擬分析，做到提前模擬、提前預(yù)知隔熱狀態(tài)及隔熱能力，指導(dǎo)玻璃鋼箱體設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)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(jì)算該模型在高溫環(huán)境下的溫度場(chǎng)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(shí)體模型原有形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化[3]。

2 計(jì)算工況

某包裝箱處于高日照強(qiáng)度下，環(huán)境壓力為1個(gè)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(duì)其采用多面體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格總數(shù)約為350萬(wàn)。模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)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(jì)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(jì)算說(shuō)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(jì)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(dǎo)邊界。該箱體為靜止?fàn)顟B(tài)，其內(nèi)無(wú)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(jì)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(chǎng)分析

圖3是該包裝箱在箱體工作溫度為70℃時(shí)，箱體表面及其內(nèi)各縱截面的溫度場(chǎng)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(xiàng)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(chǎng)分布的值較高，且壁面的最高溫與最低溫相差達(dá)15℃。

圖3 工作溫度為70℃時(shí)某包裝箱表面溫度場(chǎng)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(shì)一致。明顯地，在YZ截面上的溫度場(chǎng)分布可以看出，從進(jìn)口流向出口的方向，迎著進(jìn)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(chǎng)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(jìn)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(chǎng)分布亦明顯得出，上壁面較底部壁面的溫度低，從實(shí)體域中心向外溫度值逐漸增大。

圖4 工作溫度為70℃時(shí)某包裝箱XY截面溫度場(chǎng)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(shí)，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(shí)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(chǎng)分析

圖5是該包裝箱在箱體工作溫度為60℃時(shí)，箱體表面及其內(nèi)各縱截面的溫度場(chǎng)云圖。圖6的溫度場(chǎng)分布與圖5中的溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)一致。在箱體壁面溫度分布場(chǎng)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(shí)某包裝箱表面溫度場(chǎng)云圖

圖6 工作溫度為60℃時(shí)某包裝箱YZ截面溫度場(chǎng)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(shí)，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(shí)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(chǎng)分析

圖7是該包裝箱在箱體工作溫度為50℃時(shí)，箱體表面及其內(nèi)各縱截面的溫度場(chǎng)云圖。圖8的溫度場(chǎng)分布與上述70℃和60℃溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)一致。在箱體壁面溫度分布場(chǎng)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(shí)某包裝箱表面溫度場(chǎng)云圖

圖8 工作溫度為50℃時(shí)某包裝箱YZ截面溫度場(chǎng)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(shí)，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。可以看出，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(shí)箱體表面及其內(nèi)各截面溫度值

6 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬，分別計(jì)算得出箱體環(huán)境溫度為70℃、60℃、50℃時(shí)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(jì)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(gè)環(huán)境溫度下溫度指標(biāo)。通過(guò)上述分析得出該箱體的設(shè)計(jì)在環(huán)境溫度除在70℃時(shí)不滿(mǎn)足隔熱設(shè)計(jì)要求外，60℃、50℃時(shí)均滿(mǎn)足壁面隔熱性能設(shè)計(jì)的要求，且環(huán)境溫度越低，箱內(nèi)升溫越慢，溫升值越小。