某船舶港口充电站温度场仿真技术研究

周智勇，李 翔，谭文浩

某船舶港口充电站温度场仿真技术研究

周智勇1，李 翔1，谭文浩2

（1．海军潜艇学院，山东青岛 266000；2. 北部战区海军某支援舰支队，山东省青岛 266000）

针对某船舶充电站温度场仿真相关技术展开研究。论文介绍了某船舶充电站温度场仿真的目的及意义，论述了温度场仿真的基本理论和方法，总结了对温度场仿真模型进行优化分析的相关方法及其特点。论文成果对某船舶充电站温度场仿真工作具有参考价值。

充电站 温度场仿真 技术研究

0 引言

某船舶港口充电站作为一款船舶用充放电平台，能够实现能量高品质双向流动。其通道电压高，最高充电电流大，充电站一旦发生故障，将对人员及设备安全造成严重影响，而充放电模块生热量大是影响其安全稳定运行的重要因素。因此对设备温度场分布进行仿真分析，制定相应的温控措施，对充电站的运行维护工作十分必要。

热分析，又称为热模拟，是利用数学手段在电气设备的设计阶段获得温度分布的一种方法。利用热分析技术，能有效避免热故障问题，提高产品可靠性，缩短研制周期，降低成本。

用于电气设备的热分析方法主要分为两类：解析法和数值分析法。其中，解析法只能求解一些简单的问题；数值分析法以离散数学、数值计算为基础，以计算机为工具，能对大量复杂问题进行求解[1]。

1 传热学基本理论

1.1 热传递的方式

1）热传导

热传导是完全接触的两个物体或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换[2]。热传导遵循傅里叶定律：

2）热对流

热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差引起的热量交换[2]。热对流可以分为自然对流和强制对流。对流一般作为面边界条件施加。热对流用牛顿冷却方程来描述：

式中，为对流换热系数，T为固体表面的温度，T为周围流体的温度。

3）热辐射

热辐射是指物体发射电磁能并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程[2]。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。

在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。他们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—玻尔兹曼方程来计算：

式中，为热流率，为发射率（黑度），为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/(㎡·K4)，1为辐射面1的面积，12为由辐射面1到辐射面2的形状系数，1为辐射面1的绝对温度，2为辐射面2的绝对温度。

1.2 热力学第一定律

能量守恒定律在热力学中称为热力学第一定律。对于一个封闭的系统(没有质量的流入或流出):

式中，为热量，为做功，Δ为系统内能，Δ为系统动能，Δ为系统势能。

对于大多数工程传热问题：

通常考虑没有做功：=0，则=Δ；

对于稳态热分析：=Δ=0，即流入系统的热量等于流出的热量；

将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。

1.3 热分析的控制方程

热传导的控制微分方程为：

其中

式中，V、V、V为媒介传导速率。

2 应用CFD软件进行温度场仿真

2.1 CFD软件的简要介绍

CFD是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，可通过流热耦合对温度场中的传热问题进行分析、计算和预测，广泛应用于电气设备的温度场仿真工程。

CFD软件通常包括三个模块：前处理模块、求解模块以及后处理模块[3]。

1）前处理模块：用于建立相关问题的几何模型（或者从CAD导入），输入模型的几何参数，确定计算区域，然后对计算区域进行网格划分。网格划分是CFD计算中最重要的工作之一，对CFD的计算精度具有关键性的影响。

2）求解模块：在这一模块中将对前处理模块生成的网格模型设定边界条件，选择合适的求解方法，通过求解器计算得出数值结果。

3）后处理模块：对结果（如温度场等）进行可视化处理，还可以使用其他工具对模型进一步优化。

2.2 温度场仿真方法步骤

1）对研究对象进行计算机几何建模；

2）确定模型计算区域，进行网格划分；

3）设定边界条件；

4）选择求解方法；

5）运行求解；

6）CFD计算结果验证与分析。

3 基于响应面的温度场模型分析方法

响应面是一种以样本点为依据，对已有CFD模型的数值估计模型，所用样本点由数理统计抽样方法对CFD模型中的设计变量抽样得到。响应面法是一种科学的实验设计和分析方法。

3.1 基于响应面的温度场模型分析步骤：

1）通过参数相关性分析等方法选取对目标函数（温度场分布）影响较大的变量作为设计变量；

2）通过数理统计方法在已有CFD温度场模型中抽取样本点；

3）构建响应面，响应面的拟合精度通过拟合度优选矩阵判断[4]；

4）选用合适的算法在响应面的基础上进行优化设计，寻找全局最优或局部最优解，对温度场模型的设计变量进行优化。

3.2 利用响应面进行优化设计的优点

CFD温度场仿真模型具有至少几十万个有限元节点，直接应用求解器求解计算时需要应用3维湍流空气流动与传热控制方程组[5]对所有有限元节点进行计算，每次修改设计变量后需要对整个CFD模型重新计算，耗费大量时间和资源。而通过响应面优化设计变量和重新计算，消耗时间比较少[6]。但需要注意的是利用响应面优化计算的结果是估计值，得到的结果应该与已有CFD模型重新计算的结果进行比较验证[7]。

3.3 构建响应面的5种方法

构建响应面的常用方法有5种，各方法优缺点见表1。

3.4 对设计变量进行优化的6种算法

对设计变量进行优化主要有6种算法，各算法优缺点见表2。

表1 5种响应面的优缺点

4 总结

通过对计算机热仿真技术的研究和对基于响应面法的优化设计方法的归纳，为某船舶港口充电站热可靠性分析确定了研究方法和步骤。计算机热仿真技术和基于响应面法的优化设计方法在许多工程实际问题中的成功应用表明这一研究思路是可行的，热仿真研究将要用到的上述技术方法是成熟的，为某船舶港口充电站温度场仿真工作的开展奠定了基础。

表2 6种算法的优缺点

[1] 方志强, 付桂翠, 高泽溪. 电子设备热分析软件应用研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2003, 29(8): 737-740.

[2] 张靖周. 高等传热学[M]. 北京: 科学出版社, 2009: 19-35.

[3] 谷现良, 赵加宁, 高军, 高甫生. CFD商业软件与制冷空调[J]. 制冷学报, 2003, 4: 45-49.

[4] 姚宇光, 张永学, 田原, 侯虎灿. 基于响应面法的加氢进料燃烧炉运行优化研究[J]. 天然气工业2017, 37(6): 99-106.

[5] 黄小辉, 毕小平. 计算流体力学在车辆冷却风道设计中的应用[J]. 兵工学报, 2008, 29(11): 1281-1285.

[6] 潘晓磊, 王家群, 胡丽琴, 汪建业, 汪进. 基于响应面拟合方法中国铅基研究实验堆非能动余热排出系统可靠性分析[J]. 核技术, 2016, 39(5).

[7] 王永菲, 王成国. 响应面法的理论与应用[J]. 中国民族大学学报(自然科学版)2005, 14(3): 236-240.

[8] 杜宇健, 萧德云. Kriging算法在温度场计算中的应用分析[J]. 计算机辅助设计与图形学学报2004, 16(8): 1153-1158.

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：船舶动力装置管理与保障。E-mail：675055982@qq.com