消防机器人热防护材料隔热性能数值模拟_王潇.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1062-05消防机器人热防护材料隔热性能数值模拟*王潇1，孙强1，张国伟2，刘天奇1(1 沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳 110136;2 沈阳工程学院机械学院，沈阳 110136)摘要:随着智慧城市建设进程的不断加快，消防设备智能化、自动化趋势愈发明显，消防现场机器人的需求也越来越大。消防机器人的热防护能力是保障其在救援现场发挥作用的核心问题。基于热障涂层材料和隔热保温材料的基本属性及火灾现场环境，建立以多种热障涂层材料和隔热保温材料为主体的消防机器人热防护系统，通过传热模拟量化分析了热障涂层材料、隔热保温材料和热障涂层厚度对热防护能力的影响。结果表明:隔热保温材料的热防护性能从高到低为陶瓷纤维毡、陶瓷纤维纸、莫来石陶瓷、玻璃纤维、岩棉、气凝胶和矿渣棉;热障涂层材料的热防护性能从高到低为MgO、含钇气凝胶、石墨、SiO2、Si3N4、MgZrO3、Al2O3、NiCrAl和 ZrO2;当隔热保温材料为玻璃纤维、热障涂层材料为 Si3N4时，5 mm 为热障涂层的最佳厚度。关键词:安全工程;消防机器人;热防护系统;隔热材料;传热模拟中图分类号:X934文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.2205*收稿日期:2021 12 10作者简介:王潇，讲师，博士，从事公共安全应急救援、风险评估、设备维护等研究，761385745 qqcom;张国伟(通信作者)，副研究员，讲师，从事特种作业机器人等研究，zhangguowei syqq com。基金项目:辽宁省社科规划基金重点项目(L21ATJ012)0引言近年来，石油、化工、森林、高层建筑等火灾事故频发，严重威胁着人民群众的生命财产安全。灾情破坏性大、损失惨重，令人触目惊心，过去发生的江苏响水爆炸事件、张家口爆炸事件、凉山火灾等事故，不仅造成了财产的损失，更造成了消防人员的伤亡。消防机器人能代替消防救援人员进入易燃、易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场，进行探测、反馈、处置作业，使救援大大提高了效率，也降低了人员伤亡的风险。消防机器人的隔热性能研究对于其作用的发挥具有重要意义1。在热防护材料方面，2019 年，Sevinchan 等2 提出了各种隔热材料的传热理论，并对此进行试验验证，对机器人热防护中常用的材料进行了理论分析，进而获得其高温条件下的热性能，这项试验为消防机器人隔热材料的选择和研究奠定了基础。Taek3 研究了机器人热屏蔽特性，进而获得了合适的热障材料，并对热障结构进行了改善。孙柯4 通过应用外部隔热材料隔热和内部相变材料吸热相结合的方式，建立了用于防火隔热的核救灾机器人模型。李迪等5 在 2021 年引入最新的稀土锆酸盐材料用于隔热材料的研究，为热障材料的选择提供了数据支持。在热防护结构方面，2006 年，Bapanapalli6 首次提出了波纹板夹芯+隔热材料一体化热防护方案，该结构的面内和面外刚度都较高，同时板间的隔热材料能够起到隔热作用，该方案虽然能将隔热和承载功能集于一体，但结构中存在严重的热短路效应。2019 年，Srivastava 等7 对火灾救援机器人的控制系统、运动系统、机械系统及防护系统的设计提出了初步的思路，为消防机器人的热防护结构设计奠定了基础。在热障涂层厚度方面，李闯等8 研究了涂层厚度对基体温度场和热应力分布的影响。综上所述，目前鲜有对热障涂层材料与保温隔热材料相结合的机器人防护系统温度场影响的研究。本文利用 COMSOL 模拟软件9 分析不同隔热材料组合的传热效果，并在此基础上探讨不同热障涂层厚度对传热效果的影响。1热防护结构系统设计1.1热防护结构系统模型将消防机器人的外部环境温度设置为 85010 11。由于消防机器人所使用的工业级电子元件能保持正常工作的温度范围为 40 85，因此有必要对机器人进行整体防护。消防机器人热防护系统整体模型从外到内分别是热障涂层材料、外置铝架、隔热保温材料和内置铝架，最里面是保证机器人实现其功能的元器件(图 1)。在整体模型设计中，外置铝架和内置铝架主要起支撑保护作用，热障涂层和隔热保温材料主要用于防止热传导，以降低外部环境的高温对消防机器人内部电子元件的影响。计算域为半径 0.4 m、高 0.8 m 的圆柱体模型。1.2材料选择及性能1.2.1热障涂层热障涂层是沉积在基底结构外置铝架表面的金2601第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023属或陶瓷材料涂层，能够显著提高热防护系统的热效率，同时具备抗高温氧化及热冲击性能。涂层材料不仅要满足耐超高温、热冲刷和良好的热震性，还要与所选基体有良好的配合，需要综合考虑材料的可喷涂性、喷涂组织的相对稳定性和物理性能等方面12 14。热障涂层材料的热物性参数5，7，12 15 见表 1。表 1热障涂层材料的热物性参数Table 1Thermal physical parameters of thermal barrier coating materials材料密度/(gcm3)导热系数/(Wm1K1)比热容/(Jkg11)热膨胀系数/106K1Al2O33.9915.441 2508.4Si3N43.4416.77102.8SiO22.2 2.67.67505.0MgO3.633.520914.2石墨2.2535 2067101.0 2.6NiCrAl7.8716.176412.0ZrO25.62.121 5009.6含钇气凝胶5.80.618 0.21230010.3MgZrO35.60.86508.01.2.2保温隔热材料消防机器人不仅需要解决电子器件自身工作耗散热量的问题，还需要解决外部高温环境传入热量的问题。除了在制造工艺上采用耐高温设计外，还需要加入保温隔热层尽可能减少外部热量的传入，确保电子器件安全工作时长。无机隔热材料包括石棉、珪藻土等天然矿物和玻璃棉、泡沫等人造材料;有机隔热材料主要有软木、织物纤维和人造纤维、泡沫橡胶等;金属及其夹层隔热材料包括铜、铅、镍等纯金属材料以及隔热材料与金属夹层制成的复合材料16。保温隔热材料的热物性参数2 3，7，15 16 见表 2。图 1防护结构模型Fig 1Protective structure model2热防护结构传热模拟分析2.1模型设计为减少模型计算量，假设防护材料各向同性，内部初始空气温度恒定 22，且 空 气 为 弱 可 压缩17 18，传递过程是稳态，空气流动状态为层流，空气、防护材料与电子元件之间的热传递为固体传热。圆柱体区域内传热方程包括连续性方程和能量守恒方程，设置物理场耦合模块来进行耦合计算，此时满足的控制方程17 如下。质量方程为ux+vy+wz=0(1)式中u、v、w 分别为流体在 x、y 和 z 方向上的速度分量，m/s。能量方程为uTx+vTy+wTz=2Tx2+2Ty2+2Tz2(2)表 2保温隔热材料的热物性参数Table 2Thermal physical parameters ofthermal insulation materials材料密度/(kgm3)导热系数/(Wm1K1)比热容/(Jkg 11)陶瓷纤维纸2000.11.13陶瓷纤维毡1280.121.13莫来石陶瓷3 1600.226 0.3361 000玻璃纤维14 1000.040794.2岩棉等30 2000.0400.75矿渣棉1500.058 0.081.884气凝胶2000.018 0.0210.1236012023 年 4 月王潇，等:消防机器人热防护材料隔热性能数值模拟Apr，2023式中T 为温度，K;为流体热扩散率，m2/s。2.2传热模型计算设置材料热物性参数后，COMSOL 软件会自动拟合模拟数据。热障涂层厚度设为 10 mm，隔热保温材料厚度设为 12.5 cm，最内层材料设置为空气19。内部需要一个主机来完成指令的传输以及信息的反馈，其内部的电子元件主要包括电源、CPU等，考虑到主机运行时内部电子元件会发热，且内部温度达到约 40，将此处内部空气域整体设为恒定40。在固体传热模块中，添加温度标签，手动选择最外层作为边界，设置外部空气域整体恒定 850。参数设置完成后开始运行，进入模拟运算阶段。在 COMSOL 中利用其自带的网格模块对整体模型进行网格划分，网格类型选择四面体网格，单元大小选择较细化，并对接触面进行网格加密，选择传热模型。完整网格包含 3 244 个域单元和 656 个边界单元，见图 2。图 2传热模型网格Fig 2Heat transfer model mesh选择直接式线性系统求解器瞬态求解，求解容差设置为 0.001，求解结果为温度场，分别对内置铝架与外置铝架表面温度进行参数化求解。2.3模拟方案设计及结果分析假定外部热源温度恒定为 850，铝架表面温度越高表明所用材料的隔热效果越差，反之隔热效果越好。在 COMSOL 中选择一维绘图组，绘制模型区域内的温度场。进行多次模拟后对每项结果取平均值。用 15 min 内的最低温度来判断不同参数下的隔热效果以及哪种材料的隔热性能最佳。2.3.1保温隔热材料模拟分析在有限的模拟次数下，ZrO2数据最稳定，因此使用 ZrO2作为模拟的热障涂层材料。隔热保温材料的热防护性能从高到低依次为陶瓷纤维毡、陶瓷纤维纸、莫来石陶瓷、玻璃纤维、岩棉、气凝胶、矿渣棉(表3)。导热系数越小，材料的热防护效果越明显;比热容越小，隔热保温材料的隔热效果越好。密度小的陶瓷纤维毡隔热效果好于陶瓷纤维纸。2.3.2热障涂层材料模拟分析图 3 给出了采用玻璃纤维为隔热保温材料、不同热障涂层材料的隔热效果。可以看出，内置铝架在 10 min 内的表面温度变化较为明显，上升趋势显著，且每种材料对内置铝架与外置铝架的表面温度的影响各不相同。不同的热障材料对内置铝架与外置铝架的表面温度的影响不同，但当到达一定的时间时，温度升高趋势显著减缓。热障涂层材料的热防护性能从高到低依次为 MgO、含钇气凝胶、石墨、SiO2、Si3N4、MgZrO3、Al2O3、NiCrAl 和 ZrO2。可以看出，比热容对热障涂层材料隔热效果的影响最为明显，比热容越小的热障涂层材料隔热效果越好，此外大多数导热系数较大的热障涂层材料隔热效果略优于导热系数小的热障涂层材料。表 3不同隔热保温材料的隔热效果Table 3Thermal insulation effect of differentthermal insulation materials保温隔热层材料内置铝架表面最低温度/陶瓷纤维纸43陶瓷纤维毡41莫来石陶瓷45玻璃纤维59岩棉等63矿渣棉65气凝胶64图 315 min 内置铝架温度变化Fig 3Temperature change of built-in aluminumframe within 15 min4601Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期2.3.3热障涂层厚度模拟分析热障涂层过薄，对机器人内部元件的保护效果不佳;涂层过厚，会导致材料内部的应力过大，基体材料与涂层间结合不良，涂层容易脱落。表 4 给出了隔热保温材料为玻璃纤维、热障涂层材料为 Si3N4条件下，不同厚度热障涂层的隔热性能。可以看出，5 mm 厚的热障涂层材料隔热效果最好。表 4热障涂层材料不同厚度测试Table 4Test of different thickness of thermalbarrier coating materials厚度/mm外置铝架温度/内置铝架温度/0.4120600.81055618945564381086402096523结论1)隔热保温材料的热防护性能从高到低为陶瓷纤维毡、陶瓷纤维纸、莫来石陶瓷、玻璃纤维、岩棉、气凝胶和矿渣棉。2)热障涂层材料的热防护性能从高到低为MgO、含钇气凝胶、石墨、SiO2、Si3N4、MgZrO3、Al2O3、NiCrAl 和 ZrO2。3)当隔热保温材料为玻璃纤维、热障涂层材料为 Si3N4时，5 mm 为热障涂层的最佳厚度。参考文献(eferences):1 彭小清 消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析 J 今日消防，2019，4(12):18 19.PENG X QAnalysis on the application status andprospect of fire-fighting robot in our countryJ FireProtection Today，2019，4(12):18 19 2 SEVINCHAN E，DINCE I Investigation of heat transferperformance of various insulating materials for robots J International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，11(5):907 919.3 TAEK Y Study of mechanical characteristics and thermalbarrier coating on firefighting robotJ InternationalJournal of Mechanical Mechanics Engineering，2018，10(12):304 319 4 孙柯 核救灾机器人电子器件热防护系统研究D 上海:华东理工大学，2017.SUN Kesearchonthermalprotectionsystemofelectronic devices of nuclear disaster relief robotD 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20 10 廖曙江 大空间建筑内活动火灾荷载火灾发展及蔓延特性研究 D 重庆:重庆大学，2002.LIAO S Jesearch on fire development and spreadcharacteristics of active fire load in large space building D Chongqing:Chongqing University，2002.11 任松发，任汉信，陈延军 严重烧毁火场的现场勘查 J 武警学院学报，2001，17(增 2):99 102.EN S F，EN H X，CHEN Y J Scene investigation ofa badly burned fire J Journal of the Chinese People sArmed Police Force Academy，2001，17(S2):99102.12 曹学强 新型热障涂层材料研究进展 J 硅酸盐学报，2020，48(10):1622 1635.CAO X Q Development on new thermal barrier coatingmaterialsJ Journal of the Chinese Ceramic Society，2020，48(10):1622 1635.13 周洪，李飞，何博，等 热障涂层材料研究进展 J 材料导报，2006，20(10):40 43.ZHOU H，LI F，HE B，et al esearch progress ofthermal barrier coating materialsJ Material eview，2006，20(10):40 43.14 韩玉君，叶福兴，王志平，等 热障涂层材料的研究56012023 年 4 月王潇，等:消防机器人热防护材料隔热性能数值模拟Apr，2023进展 J 材料保护，2011，44(3):50 53，90.HAN Y J，YE F X，WANG Z P，et alesearchprogress of thermal barrier coatings J MaterialsProtection，2011，44(3):50 53，90.15 周文英，丁小卫 导热高分子材料 M 北京:国防工业出版社，2014:35 50.ZHOU W Y，DING X W 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firefightingrobotWANG Xiao1，SUN Qiang1，ZHANG Guo-wei2，LIU Tian-qi1(1 College of Safety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China;2 College of Mechanical，ShenyangInstitute of Engineering，Shenyang 110136，China)Abstract:To improve the thermal insulation performances of thefirefighting robot，and protect the personal and property safety，the important factors affecting the thermal protective performanceof the firefighting robot are numerically simulated The aim is toobtain the optimal combination of the protective material andthermal barrier coating thickness First，the thermal protectivestructure of the firefighting robot is designed based on the basicproperties of the thermal barrier coating materials and thermalinsulation materials，combined with the fire scene environmentThen，the control variable method is used to design thesimulation scheme with the thermal barrier coating material，thermal insulation material，and thermal barrier coating thicknessasvariablesrespectivelyAndthematerialswithstableperformances in the simulation are used as the invariants in eachsimulation，which can make the simulation results more accurateand effective Finally，the thermal protective properties of thethermal insulation materials and the thermal protective propertiesof thermal barrier coating materials are arranged from high tolow Besides，we find out that 5mm is the best thickness of thethermal barrier coating under the same conditions as the othersimulation parameters According to the properties and numericalrelationships of the influencing factors，the influences of thematerial properties on thermal insulation effects are obtainedAnd the thermal insulation effects of the thermal insulationmaterials are inversely proportional to the thermal conductivity ofthe material propertiesThe thermal insulation effects of twokinds of thermal insulation materials with the same compositionare inversely proportional to the density In addition，comparedwith other basic properties of the materials，the specific heatcapacity has a great influence on the thermal insulation effect ofthe thermal barrier coating According to the characteristics ofdifferent influencing factors，the thermal protective performancesof the firefighting robot can be improved effectively The researchresults have an important reference value for the design of thethermal protective system of the firefighting robot，and thethermal protective system model can work as a reference forsimilar system designs of the thermodynamic modelKey words:safety engineering;firefighting robot;thermalprotection system;thermal insulation material;heat transfer simulation6601Vol 23No4安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 4 期