曾小杰, 王良模, 陳剛, 王陶, 王偉利, 李曉

(1.南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094; 2.蘇州江南航天機電有限公司, 江蘇 南京 215300)

我國高熱、高寒和高海拔地區(qū)面積廣闊，自然災害種類多、分布廣而且頻發(fā)，近年來新冠疫情在全球大爆發(fā)，國內也出現多點爆發(fā)，突發(fā)事件緊急醫(yī)學救援面臨嚴峻的形勢。由于高機動性的特點，車載方艙被廣泛應用于應急醫(yī)療救援，同時在邊防作戰(zhàn)、生化防護和旅游房車等領域也有廣泛應用[1]。

車載方艙經常面臨高熱高寒等極端環(huán)境，而其保溫隔熱材料及結構熱惰性普遍差，造成艙內環(huán)境熱舒適性低和整艙能耗較高等，無法滿足人們日益提升的熱舒適性要求和節(jié)能環(huán)保要求。艙內環(huán)境的熱舒適性和整艙能耗，不僅取決于環(huán)控系統的使用性能，還受到方艙自身隔熱性能的直接影響。因此對車載方艙的隔熱性能進行研究顯得尤為重要。

圍護結構的隔熱性能一般用傳熱系數(K值)來表征，大量學者通過有限元分析方法展開隔熱性能研究。丁華等[2]通過三維傳熱仿真對某軍用方艙隔熱性能的影響因素進行研究，結果表明保溫芯材導熱系數對方艙的K值影響最大。萬小朋等[3]對金屬多層隔熱結構中的反射屏展開數值分析發(fā)現其輻射熱阻和位置布局會影響隔熱效果。崔海英等[4]將某高速列車的內外熱交換系統簡化為車體壁和冷橋，針對K值較高的子區(qū)域進行鋪層優(yōu)化，將整車K值降低10%。李偉光等[5]通過穩(wěn)態(tài)傳熱分析發(fā)現空氣層厚度對船舶甲板圍壁的K值影響較大，對垂直圍壁的K值影響較小。

為了提高車載方艙等圍護結構的隔熱性能，很多學者做了大量研究。Isaia等[6]通過分析建筑物中真空隔熱板(VIP)連接時的熱橋效應評估了熱橋對建筑物節(jié)能性能影響。Fang等[7]對二氧化硅氣凝膠微觀結構進行重構，建立了考慮輻射換熱的有效導熱系數預測模型，并通過實驗研究驗證其正確性。郭靚[8]提出一種包覆式隔熱材料，并分析了芯材類型及幾何參數等對復合材料有效導熱系數和面密度的影響。近年來，VIP和氣凝膠等先進隔熱材料在建筑和集裝箱等領域的成功應用為車載方艙的隔熱設計提供了新的可能[9-11]。

本文以聚氨酯泡沫(PU)為基材、VIP和氣凝膠為芯材，提出一種新型雙芯包覆式保溫結構。以某車載方艙中頂板3種尺寸規(guī)格的保溫結構為對象，基于ANSYS二次開發(fā)和CFD仿真分析探究該復合保溫結構的特性。其次，采用代理模型技術和第二代非劣排序遺傳算法對其進行性能多目標優(yōu)化。最后，將優(yōu)化的復合保溫結構應用到某車載方艙中頂板進行性能驗證，為車載方艙熱工性能的優(yōu)化設計提供參考。

車載方艙新型雙芯包覆式保溫結構的研究，可提升艙內人員的舒適性，延長艙內設備使用壽命，增強系統可靠性和降低能耗等，具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 新型雙芯包覆式保溫結構

1.1 方艙幾何模型

圖1為某車載方艙的三維模型，由復合大板、包邊、包角和螺栓等構成，經簡化后得到中頂板、斜頂板1、斜頂板2、左側板和右側板等。

圖1 某車載方艙三維模型

本文以中頂板為例，進行輕質復合保溫結構的優(yōu)化設計。圖2為中頂板結構示意圖，主要包括2個典型區(qū)域：夾芯層區(qū)域(內蒙皮-保溫芯-外蒙皮)和5層復合結構區(qū)域(外蒙皮-外隔熱橋-骨架-內隔熱橋-內蒙皮)，其保溫芯為PU材料構成的單層均質結構。由于骨架布置的不均勻，保溫芯有3種尺寸規(guī)格，詳細的幾何尺寸和數量見表1。

表1 單層均質保溫芯的幾何尺寸及數量

圖2 中頂板結構示意圖

1.2 雙芯包覆式保溫結構設計

單層均質保溫結構熱工特性單一，越來越難以勝任惡劣環(huán)境的隔熱需求。本文選用3種常見隔熱材料進行復合，其物理特性見表2。

表2 常見隔熱材料的物理參數

考慮到材料的機加工能力和環(huán)境適應性，本文用機械性能更好的材料對導熱系數較低的2種材料進行包覆，提出一種新型雙芯包覆式保溫結構(見圖3)，即以PU為基材、VIP和氣凝膠為芯材的復合保溫結構，簡稱雙芯保溫結構。為了保證雙芯保溫結構各向具有良好的力學性能和環(huán)境適應性，取兩芯材的長寬為單層均質保溫結構的90%，即存在(1)式所示關系：

圖3 雙芯包覆式保溫結構示意圖

lci=0.9L,wci=0.9W(i=1,2)

(1)

與中頂板的單層均質保溫芯相對應,雙芯保溫結構也有3種規(guī)格,分別記為規(guī)格1、規(guī)格2、規(guī)格3雙芯保溫結構。下面以規(guī)格1雙芯保溫結構為對象,進行該復合保溫結構的特性仿真分析。

2 雙芯保溫結構特性CFD仿真分析

2.1 評價指標

雙芯保溫結構的評價指標主要包括有效導熱系數和面密度。

1) 有效導熱系數

有效導熱系數表征著雙芯保溫結構的熱工性能,指穩(wěn)態(tài)傳熱條件下,保溫結構單位厚度、單位溫度梯度下單位面積傳遞的熱量。本文提出的雙芯保溫結構并非簡單的多層均質結構,難以通過熱阻理論準確計算等效導熱系數。故參考文獻[8],采用仿真分析與理論計算相結合,首先根據傅里葉定律得出等效導熱系數理論公式(見(2)式),再通過CFD仿真獲得穩(wěn)態(tài)環(huán)境下保溫結構內外表面間的熱流量,然后基于理論公式計算等效導熱系數。

(2)

式中：Q為保溫結構厚度方向的熱流量;H為保溫結構的厚度;S為保溫結構的橫截面積;Ti和To分別為內外表面溫度。

2) 面密度

為了獲得更加輕質的雙芯保溫結構,將面密度也納入重要的評價指標之一,其定義為固定厚度下,雙芯保溫結構單位面積的質量,計算公式如下

(3)

2.2 雙芯保溫結構CFD仿真分析

本文設計了一系列不同幾何參數的雙芯保溫結構,詳見表3。通過CFD仿真方法建立其穩(wěn)態(tài)傳熱模型,分析該復合保溫結構的特性。

表3 不同幾何參數的雙芯保溫結構設計方案

雙芯保溫結構兩側分別接觸內外蒙皮,主要以熱傳導方式進行熱的傳遞,故將其簡化為第一類熱邊界條件,取兩側溫度分別為Ti=30℃和To=20℃。

采用ANSYS-Fluent建立雙芯保溫結構穩(wěn)態(tài)傳熱模型?；赑ython腳本對ANSYS進行二次開發(fā),實現CFD仿真分析的參數化建模。以不同的幾何參數組合為輸入,在Fluent中指定模型的熱邊界條件和材料物理屬性,按(2)式和(3)式自定義模型的輸出,實現快速高效的仿真模擬。

根據表3不同幾何參數的結構設計方案進行仿真試驗,得到雙芯保溫結構芯材性能曲線,如圖4所示?？梢钥闯?隨著芯材厚度的不斷加大,雙芯保溫結構的有效導熱系數呈非線性減小,面密度呈線性增大;其中,VIP芯材的厚度對復合保溫結構的隔熱性能和質量性能影響更明顯。因此,如何平衡2種性能的要求,綜合3種材料的物理特性優(yōu)點,以最小的質量獲得更好隔熱性能的雙芯保溫結構成為接下來要解決的關鍵問題。

圖4 雙芯保溫結構性能曲線

3 雙芯保溫結構性能多目標優(yōu)化

3.1 多目標優(yōu)化模型

以2種芯材的厚度為設計變量、雙芯保溫結構的有效導熱系數和面密度最小為目標進行多目標優(yōu)化,為消除量綱及數量級影響,采用min-max標準化方法對2個目標值進行歸一化處理。

因此,優(yōu)化問題的數學模型描述為

(4)

式中：NK為歸一化后的有效導熱系數;Nρ為歸一化后的面密度;考慮到實際加工和面密度,取2個設計變量的上限為20、下限為3。

反過來看，在德都方言里卻很少有漢語借詞，即使是在改革開放的新時代，很多新詞語都是來源于現代蒙古語或者吸收了英、俄等外語的某些詞語。例如：

3.2 代理模型

為了減少優(yōu)化過程中的計算量,分別構建NK和Nρ的代理模型。以規(guī)格1雙芯保溫結構為對象,根據各代理模型樣本數量要求,確定樣本量為20組,并使用優(yōu)化拉丁超立方試驗設計方法進行隨機采樣,將樣本點輸入到ANSYS的參數集中進行批量仿真,歸一化處理后得到的部分結果如表4所示。

表4 雙芯保溫結構的部分響應結果

根據生成的響應量,分別構建響應面模型(RSM)、徑向基神經網絡(RBF)、克里金模型(Kriging)和正交多項式(Chebyshev)4種代理模型,并隨機選擇10個樣本點進行交叉驗證,使用決定系數(R2)、平均相對誤差(ARE)、最大誤差(MRE)和均方根誤差(MRSE)對比分析4種模型的精度。代理模型精度如表5所示,4種模型的各項系數均滿足工程分析的使用要求,其中,克里金模型各項響應的R2相對較小,其他3種模型擬合精度均相對較高;正交多項式模型各項響應的R2更接近1,MRSE更接近0,擬合精度最高,故最終選用正交多項式模型。同理優(yōu)選其他規(guī)格雙芯保溫結構的代理模型。

表5 代理模型精度

3.3 優(yōu)化結果

采用第二代非劣排序遺傳算法(NSGA-II)進行優(yōu)化計算。設置種群大小為20,迭代次數為100,得到Pareto解集如圖5所示。由圖可知,若要滿足NK最小,則Nρ會增大;若要滿足Nρ最小,則NK會增大。一般通過賦權重的方式將多目標轉化為單目標,為使隔熱性能相對更好,以min(0.6NK+0.4Nρ)為目標選取最優(yōu)解,結果見圖5。

圖5 雙芯保溫結構的Pareto解集

將優(yōu)化后的參數分別輸入到代理模型和仿真模型中,NK和Nρ的計算結果如表6所示,代理模型預測結果的擬合誤差均很小,驗證了所建立代理模型的正確性。

表6 雙芯保溫結構芯材厚度最優(yōu)解

考慮到制造工藝的精度水平,將優(yōu)化結果精確到小數點后一位,得到雙芯保溫結構的最終設計尺寸如表7所示。表8為圖2中頂板保溫結構優(yōu)化前后的性能對比,保溫結構面密度增加3.65 kg/m2左右,有效導熱系數降低55.56%,隔熱性能增強。

表7 雙芯保溫結構的最終設計尺寸

表8 保溫結構優(yōu)化前后性能對比

為進一步驗證優(yōu)化后雙芯保溫結構的隔熱性能,與單芯保溫結構(僅以VIP或氣凝膠中的一種為芯材)進行了對比分析。以規(guī)格1(優(yōu)化后)的保溫芯為例,取芯材的長寬為單層均質保溫結構的90%,控制面密度為6.51 kg/m2,求解單芯保溫結構的最優(yōu)性能。表9為單芯-雙芯保溫結構的性能對比情況,可以看出PU-VIP、PU-氣凝膠單芯保溫結構比雙芯結構導熱系數分別增大了6.25%和25%,雙芯保溫結構比單芯保溫結構具有更好的隔熱效果。

表9 單芯-雙芯保溫結構隔熱性能對比

4 優(yōu)化后中頂板性能驗證

4.1 評價指標

將優(yōu)化的雙芯保溫結構應用于中頂板展開性能驗證,評價指標主要包括傳熱系數和面密度。

1) 傳熱系數

方艙大板等圍護結構以傳熱系數來衡量其隔熱性能。常見的仿真模擬方法有2種:一種是搭建完整的艙內外流體環(huán)境,通過給定進出口空氣流速、溫度等邊界條件進行模擬計算;一種是將艙內外環(huán)境簡化為內外表面的熱對流換熱系數。由于本文仿真工況為靜置低溫封閉室內環(huán)境,故采用方法二,同時忽略輻射傳熱的影響。

基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理建立三維傳熱模型,仿真得到內外表面間的熱流量,傳熱系數K計算公式如(5)式

(5)

式中：Q為內外表面間熱流量;A為名義內表面積,等于內外表面積的算術平均值。

2) 面密度

方艙大板面密度定義為固定厚度下,大板單位面積的質量,計算公式如(6)式

(6)

4.2 中頂板CFD仿真分析

本文采用CFD仿真方法對比分析優(yōu)化前后中頂板的各項性能。經網格獨立性驗證后,取網格大小為6 mm,基于ANSYS-Fluent建立中頂板三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型,并編寫UFD函數獲取傳熱模型熱流密度。按照相關標準規(guī)定[12-13],將中頂板內外熱環(huán)境簡化為第三類熱邊界條件,取內表面溫度為20℃、對流換熱系數為8 W/(m2·K),外表面溫度-35℃、對流換熱系數為16 W/(m2·K);設置流體為理想不可壓縮空氣、導熱系數為0.024 2 W/(m·K),并開啟沿Z負方向的重力加速度;其他各構件使用的材料及導熱系數如表10所示。

表10 其他各構件使用的材料及導熱系數

經仿真得到中頂板典型截面溫度分布如圖6所示,其中,箭頭方向表示熱流密度方向?？梢钥吹?中頂板在不同區(qū)域的傳熱路徑不同:①區(qū)域1的傳熱路徑為內蒙皮-保溫芯-外蒙皮,溫度由內到外變化相對均勻;②區(qū)域2的傳熱路徑為內蒙皮-內隔熱橋-骨架(空氣)-外隔熱橋-外蒙皮,溫度由內到外呈“快-慢-快”變化趨勢,骨架的溫度相對較低,傳熱迅速。內蒙皮與保溫芯接觸的區(qū)域溫度相對高，形成熱源,與隔熱橋接觸的區(qū)域溫度相對低，形成熱匯,外蒙皮則剛好相反。

圖6 中頂板典型截面溫度分布

在相同穩(wěn)態(tài)傳熱條件下,優(yōu)化前兩側溫度范圍為-32.66℃～14.60℃,優(yōu)化后兩側的溫度范圍為-33.96℃～17.28℃,優(yōu)化后中頂板能夠維持更大的內外溫差,隔熱性能更好。表11為中頂板性能優(yōu)化結果,可看出,優(yōu)化后中頂板雖然面密度有所增加,但仍滿足固定厚度為51.4 mm時不超過25.4 kg/m2的設計要求,傳熱系數降低了15.76%,隔熱性能顯著提高。另外,保溫結構的優(yōu)化設計使得骨架傳熱占比增加了14.82%,可考慮對骨架結構進行改進以削弱其熱橋效應。

表11 中頂板性能優(yōu)化結果

5 結 論

本文以聚氨酯泡沫為基材、氣凝膠和真空隔熱板為芯材,提出了一種適用于車載方艙的新型雙芯包覆式保溫結構?；贏NSYS二次開發(fā)技術,實現對雙芯包覆式保溫結構樣本點的批量CFD仿真,采用正交多項式代理模型和NSGA-Ⅱ算法,進行了某車載方艙3種規(guī)格保溫結構的性能多目標尺寸尋優(yōu)。通過研究得出:

1) 隨著芯材厚度的不斷加大,該復合保溫結構的有效導熱系數呈非線性減小,面密度呈線性增大;VIP芯材厚度對其性能的影響更明顯。

2) 優(yōu)化后獲得3種規(guī)格輕質復合保溫結構,其有效導熱系數均降低了55.56%,面密度平均增大3.65 kg/m2左右,且隔熱效果優(yōu)于單芯保溫結構。

3) 在滿足面密度設計要求下,將新型雙芯包覆式保溫結構應用到某車載方艙中頂板,中頂板傳熱系數降低了15.76%,顯著提升了車載方艙大板的隔熱性能。但骨架的熱橋效應有待進一步改進,后續(xù)可考慮增設斷熱橋等方式改進骨架結構,進一步優(yōu)化方艙大板的熱工性能。