周智勇，李 翔，譚文浩

某船舶港口充電站溫度場仿真技術(shù)研究

周智勇1，李 翔1，譚文浩2

（1．海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266000；2. 北部戰(zhàn)區(qū)海軍某支援艦支隊，山東省青島 266000）

針對某船舶充電站溫度場仿真相關(guān)技術(shù)展開研究。論文介紹了某船舶充電站溫度場仿真的目的及意義，論述了溫度場仿真的基本理論和方法，總結(jié)了對溫度場仿真模型進行優(yōu)化分析的相關(guān)方法及其特點。論文成果對某船舶充電站溫度場仿真工作具有參考價值。

充電站 溫度場仿真 技術(shù)研究

0 引言

某船舶港口充電站作為一款船舶用充放電平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)能量高品質(zhì)雙向流動。其通道電壓高，最高充電電流大，充電站一旦發(fā)生故障，將對人員及設(shè)備安全造成嚴重影響，而充放電模塊生熱量大是影響其安全穩(wěn)定運行的重要因素。因此對設(shè)備溫度場分布進行仿真分析，制定相應(yīng)的溫控措施，對充電站的運行維護工作十分必要。

熱分析，又稱為熱模擬，是利用數(shù)學(xué)手段在電氣設(shè)備的設(shè)計階段獲得溫度分布的一種方法。利用熱分析技術(shù)，能有效避免熱故障問題，提高產(chǎn)品可靠性，縮短研制周期，降低成本。

用于電氣設(shè)備的熱分析方法主要分為兩類：解析法和數(shù)值分析法。其中，解析法只能求解一些簡單的問題；數(shù)值分析法以離散數(shù)學(xué)、數(shù)值計算為基礎(chǔ)，以計算機為工具，能對大量復(fù)雜問題進行求解[1]。

1 傳熱學(xué)基本理論

1.1 熱傳遞的方式

1）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是完全接觸的兩個物體或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換[2]。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

2）熱對流

熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差引起的熱量交換[2]。熱對流可以分為自然對流和強制對流。對流一般作為面邊界條件施加。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，為對流換熱系數(shù)，T為固體表面的溫度，T為周圍流體的溫度。

3）熱輻射

熱輻射是指物體發(fā)射電磁能并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程[2]。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。

在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。他們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—玻爾茲曼方程來計算：

式中，為熱流率，為發(fā)射率（黑度），為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10-8W/(㎡·K4)，1為輻射面1的面積，12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，1為輻射面1的絕對溫度，2為輻射面2的絕對溫度。

1.2 熱力學(xué)第一定律

能量守恒定律在熱力學(xué)中稱為熱力學(xué)第一定律。對于一個封閉的系統(tǒng)(沒有質(zhì)量的流入或流出):

式中，為熱量，為做功，Δ為系統(tǒng)內(nèi)能，Δ為系統(tǒng)動能，Δ為系統(tǒng)勢能。

對于大多數(shù)工程傳熱問題：

通?？紤]沒有做功：=0，則=Δ；

對于穩(wěn)態(tài)熱分析：=Δ=0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；

將其應(yīng)用到一個微元體上，就可以得到熱傳導(dǎo)的控制微分方程。

1.3 熱分析的控制方程

熱傳導(dǎo)的控制微分方程為：

其中

式中，V、V、V為媒介傳導(dǎo)速率。

2 應(yīng)用CFD軟件進行溫度場仿真

2.1 CFD軟件的簡要介紹

CFD是計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的簡稱，可通過流熱耦合對溫度場中的傳熱問題進行分析、計算和預(yù)測，廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的溫度場仿真工程。

CFD軟件通常包括三個模塊：前處理模塊、求解模塊以及后處理模塊[3]。

1）前處理模塊：用于建立相關(guān)問題的幾何模型（或者從CAD導(dǎo)入），輸入模型的幾何參數(shù)，確定計算區(qū)域，然后對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是CFD計算中最重要的工作之一，對CFD的計算精度具有關(guān)鍵性的影響。

2）求解模塊：在這一模塊中將對前處理模塊生成的網(wǎng)格模型設(shè)定邊界條件，選擇合適的求解方法，通過求解器計算得出數(shù)值結(jié)果。

3）后處理模塊：對結(jié)果（如溫度場等）進行可視化處理，還可以使用其他工具對模型進一步優(yōu)化。

2.2 溫度場仿真方法步驟

1）對研究對象進行計算機幾何建模；

2）確定模型計算區(qū)域，進行網(wǎng)格劃分；

3）設(shè)定邊界條件；

4）選擇求解方法；

5）運行求解；

6）CFD計算結(jié)果驗證與分析。

3 基于響應(yīng)面的溫度場模型分析方法

響應(yīng)面是一種以樣本點為依據(jù)，對已有CFD模型的數(shù)值估計模型，所用樣本點由數(shù)理統(tǒng)計抽樣方法對CFD模型中的設(shè)計變量抽樣得到。響應(yīng)面法是一種科學(xué)的實驗設(shè)計和分析方法。

3.1 基于響應(yīng)面的溫度場模型分析步驟：

1）通過參數(shù)相關(guān)性分析等方法選取對目標函數(shù)（溫度場分布）影響較大的變量作為設(shè)計變量；

2）通過數(shù)理統(tǒng)計方法在已有CFD溫度場模型中抽取樣本點；

3）構(gòu)建響應(yīng)面，響應(yīng)面的擬合精度通過擬合度優(yōu)選矩陣判斷[4]；

4）選用合適的算法在響應(yīng)面的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，尋找全局最優(yōu)或局部最優(yōu)解，對溫度場模型的設(shè)計變量進行優(yōu)化。

3.2 利用響應(yīng)面進行優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)點

CFD溫度場仿真模型具有至少幾十萬個有限元節(jié)點，直接應(yīng)用求解器求解計算時需要應(yīng)用3維湍流空氣流動與傳熱控制方程組[5]對所有有限元節(jié)點進行計算，每次修改設(shè)計變量后需要對整個CFD模型重新計算，耗費大量時間和資源。而通過響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計變量和重新計算，消耗時間比較少[6]。但需要注意的是利用響應(yīng)面優(yōu)化計算的結(jié)果是估計值，得到的結(jié)果應(yīng)該與已有CFD模型重新計算的結(jié)果進行比較驗證[7]。

3.3 構(gòu)建響應(yīng)面的5種方法

構(gòu)建響應(yīng)面的常用方法有5種，各方法優(yōu)缺點見表1。

3.4 對設(shè)計變量進行優(yōu)化的6種算法

對設(shè)計變量進行優(yōu)化主要有6種算法，各算法優(yōu)缺點見表2。

表1 5種響應(yīng)面的優(yōu)缺點

4 總結(jié)

通過對計算機熱仿真技術(shù)的研究和對基于響應(yīng)面法的優(yōu)化設(shè)計方法的歸納，為某船舶港口充電站熱可靠性分析確定了研究方法和步驟。計算機熱仿真技術(shù)和基于響應(yīng)面法的優(yōu)化設(shè)計方法在許多工程實際問題中的成功應(yīng)用表明這一研究思路是可行的，熱仿真研究將要用到的上述技術(shù)方法是成熟的，為某船舶港口充電站溫度場仿真工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

表2 6種算法的優(yōu)缺點

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Research on Temperature Field Simulation Technology of a Ship Charging Station at Port

Zhou Zhiyong1, Li Xiang1, Tan Wenhao2

(1.The Navy Academy of Submarine, Qingdao 266000, Shandong, China; 2. A Naval Support Fleet in the Northern Theatre, Qingdao 266000, Shandong, China)

TP391.9

A

1003-4862（2019）10-0011-04

2019-03-20

周智勇（1973-），男，教授。研究方向：船舶動力裝置管理與保障。E-mail：675055982@qq.com