環(huán)境實驗室溫度均勻性的數(shù)值分析研究

馬建軍，孫俠生，李喜明

（中國飛機強度研究，西安 710065）

飛機結(jié)構(gòu)及機構(gòu)環(huán)境條件下功能性和耐久性實驗室是用來模擬飛機結(jié)構(gòu)及機構(gòu)、設(shè)備等在高、低溫，濕熱等環(huán)境條件下的環(huán)境適應(yīng)性。實驗室可實現(xiàn)-70～150℃的極端環(huán)境溫度，工作區(qū)內(nèi)的溫度是否均勻直接關(guān)系到實驗結(jié)果的可靠性及合理性，同時工作區(qū)內(nèi)的風(fēng)速不能超過1.7 m/s的限制［1］。在建造之前，須對實驗室氣流組織及溫度均勻性進行詳細(xì)設(shè)計［2］。文中利用CFD方法數(shù)值模擬靜態(tài)空載工況下，不同的送風(fēng)溫差、送風(fēng)速度及不同保溫層厚度下的氣流組織，并分析其對應(yīng)溫度場的均勻性，為實驗室設(shè)計提供參考。

1 計算模型

1.1 模型建立

某飛機結(jié)構(gòu)及機構(gòu)環(huán)境條件下功能性和耐久性實驗室的結(jié)構(gòu)如圖1所示，環(huán)境實驗室內(nèi)部尺寸為長L=1.69 m，寬W=3.5 m，高H=4.0 m，可實現(xiàn)的溫度范圍為-70～150℃，溫度不均勻度≤2℃?？諝馓幚韱卧糜谑覂?nèi)，其內(nèi)有蒸發(fā)器、除濕器、加熱器等，處理過的空氣經(jīng)4個送風(fēng)口豎起向上送出，每個送風(fēng)口有效尺寸為0.3 m×0.17 m。送風(fēng)口上部設(shè)有導(dǎo)流板，以引導(dǎo)送風(fēng)射流在頂部形成帖附，空氣處理單元底部有三個回風(fēng)口。

圖1 環(huán)境實驗室結(jié)構(gòu)Fig.1 Sketch of climatic test chamber

靜態(tài)空載工況下影響室內(nèi)溫度分布的熱負(fù)荷主要為溫差引起的透過保溫板的傳熱Q，保溫板分3層，內(nèi)外層均為304不銹鋼板，中層為聚胺脂泡沫，Q按式（1）計算［3］。

式中：A為實驗室內(nèi)部的表面積，A=115.7 m2；△t為室內(nèi)外溫差，室外溫度取為20℃，室內(nèi)為-70℃時，△t＝90℃，室內(nèi)為150℃時，△t＝130℃；k為保溫板的等效傳熱系數(shù)，。

其中h1為保溫板外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取h1=2 W/（m2·K）；δ1為不銹鋼板總厚度，δ1=3 mm；λ1為不銹鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，λ1=16.2 W/（m·K）；δ2為聚胺脂板厚度；λ2為聚胺脂板導(dǎo)熱系數(shù)，λ2=0.035 W/（m·K）；h2為保溫板內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取h2=5 W/（m2·K）。

循環(huán)風(fēng)量按式（2）計算。

式中：ρ為設(shè)計溫度下的空氣密度，-70℃時，ρ=1.6451 kg/m3，150 ℃時，ρ=0.7898 kg/m3；cp為空氣的定壓比熱，取cp=1004 kJ/（kg·K）；△Ts為送風(fēng)溫度與設(shè)計溫度的s差值，℃。

取不同的保溫層厚度和不同的溫差，開啟數(shù)量不同的送風(fēng)口進行計算分析，計算工況見表1。

表1 計算工況Table 1 Calculation conditions

表中δ=δ1+δ2，其中δ1為不銹鋼板總厚度，δ1=3 mm，δ2為聚胺脂板厚度。

1.2 控制方程和數(shù)值解法

室內(nèi)空氣流動受自然對流和強迫對流作用的共同作用，為湍流流動，采用廣泛使用的RNG，k-ε兩方程湍流模型來模擬環(huán)境實驗室內(nèi)的空氣流動［4］。另外針對室內(nèi)空氣流動，還發(fā)展了室內(nèi)零方程模型，不過其適應(yīng)性待更多的驗證［5］。為了簡化問題，引入以下假設(shè)。

1）室內(nèi)空氣為不可壓縮流，空氣物性為常數(shù)，由于室內(nèi)壁面溫度相差不大，不考慮輻射的影響；

2）流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

3）考慮重力的影響，空氣密度采用不可壓縮理想氣體模型；

4）不考粘性力作用引起的能量耗散；

5）實驗室密封良好，不考慮空氣泄漏的問題。

根據(jù)以上假設(shè)，室內(nèi)流體應(yīng)滿足湍流連續(xù)方程、動量方程、能量方程，其通用表達式為:

式中：φ為通用變量，φ=［1uvw kεT］為速度矢量；Γeff為廣義擴散系數(shù)，由湍流模型決定；S為源項。

在近壁面區(qū)域，引入壁面函數(shù)，近壁面區(qū)域第1層網(wǎng)格對傳熱影響很大［6-7］，應(yīng)保證30＜y+＜300［8］，對于房間的氣流組織模擬，第1層網(wǎng)格高度可取為0.05 ～0.1 m［9］。

計算軟件采用ANSYS FLUENT 13.0，壓力耦合采用SIMPLE算法，各方程離散除壓力外均采用二階迎風(fēng)格式。

1.3 邊界條件設(shè)置

送風(fēng)口采用基本風(fēng)口模型［10］，簡化為與風(fēng)口有效面積相同的矩形開口，湍流動能及耗散率按式（4）計算［11］：

式中：k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3。

趙彬指出，入流的湍流參數(shù)對送風(fēng)射流的發(fā)展及室內(nèi)氣流組織影響并不顯著［12］，文中設(shè)定入口湍流度I=10%，水力直徑L=0.127 m。

回風(fēng)口采用壓力出口邊界條件，表壓為0；空氣處理單元與空氣換熱量不大，設(shè)為絕熱壁面；導(dǎo)流板按絕熱壁面處理；壁面設(shè)為對流傳熱壁面，外部對流傳熱系數(shù)取為2 W/m2k，外部溫度取為20℃；z方向重力加速度為-9.8 m/s2。

2 評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 速度限制

低溫實驗標(biāo)準(zhǔn)（GJB 150.4A）規(guī)定：除裝備的平臺環(huán)境已經(jīng)證明使用其它速度是合理的，并且要防止在試件中產(chǎn)生與實際不符的熱傳遞外，試件附近的風(fēng)速不應(yīng)超過1.7 m/s。

2.2 溫度不均勻度和溫度不均勻性系數(shù)

根據(jù)GB/T 5170.5-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實驗設(shè)備檢驗方法濕熱實驗設(shè)備》［13］選取15個測點，按式（5）計算溫度不均勻度。

式中：△Tu為溫度不均勻度，℃；Tmax為測點的最高溫度值，℃；Tmin為測點的最低溫度值，℃。

溫度不均勻度表征了工作區(qū)溫度的最大差值，另外引入溫度不均勻性系數(shù)kT，表征室內(nèi)溫度與平均溫度的偏離程度。

式中：N為測點數(shù)，N=15；Ti為測點溫度為測點的平均溫度；σT為溫度的均方根差。

2.3 能量利用系數(shù)

能量利用系數(shù)反映了能量利用和室內(nèi)溫度分層情況，其定義為：

式中：TP為排風(fēng)溫度；T0為送風(fēng)溫度為工作區(qū)設(shè)計溫度。

制冷工況下，送風(fēng)經(jīng)過熱交換后應(yīng)有TP＞Tn，η＞1。當(dāng)η＜1時，表明送風(fēng)沒有充分經(jīng)過熱交換就被排出室外，投入的能量沒有完全利用，氣流短路，經(jīng)濟性差。

3 結(jié)果分析

各個計算工況下的室內(nèi)平均速度如圖2所示，總體上與送風(fēng)溫差呈反比關(guān)系，這是因為式（2）計算出來的送風(fēng)量與送風(fēng)溫差呈反比關(guān)系。150℃工況下，空氣密度變小，熱負(fù)荷增大，導(dǎo)致循風(fēng)量加大，相同送風(fēng)溫差下室內(nèi)平均速度明顯高于-70℃工況。保溫層為100 mm時，熱負(fù)荷較大，不能使用小溫差送風(fēng)，否則導(dǎo)致室內(nèi)平均風(fēng)速超過限制。只開啟2個送風(fēng)口送風(fēng)時，送風(fēng)量保持不變，單個送風(fēng)口送風(fēng)速度提高1倍；但室內(nèi)平均速度并沒有提高1倍，僅僅是略有增加。

圖2 室內(nèi)平均風(fēng)速Fig.2 Average air velocity in the chamber

各個計算工況的溫度不均勻度如圖3所示，總體上溫度不均勻度與送風(fēng)溫差呈線性關(guān)系，例外的是：-70℃，δ=100 mm，△Ts=4℃時的溫度不均勻度反而比△Ts=3℃和△Ts=5℃時要小。從圖4的流線圖中可以看出，此時室內(nèi)流場在浮力作用下呈現(xiàn)出強烈的三維特性，在x-z平面形成了一個渦，空氣混合更加充分，溫度均勻性反而較好。

只開啟2個送風(fēng)口送風(fēng)時，由于送風(fēng)速度提高，-70℃工況下避免了因大溫差（△Ts＞4℃）空氣射流過早而從頂棚脫離，溫度不均勻度明顯改善；150℃工況也有明顯改善，但不如-70℃工況下幅度大。150℃，δ=300 mm，△Ts=5℃，β=4時溫度不均勻度明顯躍升，此時由于送風(fēng)速度過小，溫度分層嚴(yán)重。

圖3 溫度不均勻度Fig.3 Temperature non-uniformity

圖4 -70℃，δ=100 mm，△Ts=4℃時的流線圖Fig.4 Streamlines for-70℃，δ=100 mm，△Ts=4℃

溫度均勻性系數(shù)與溫差的關(guān)系如圖5所示，其走勢與圖3溫度不均勻度基本一致。保溫層較厚時，-70℃工況下溫度均勻性系數(shù)隨著送風(fēng)溫差急劇增大。這是因為熱負(fù)荷的減小導(dǎo)致相同送風(fēng)溫差下送風(fēng)速度減小，浮力影響更加顯著，使空氣射流過早脫離頂棚，減弱了空氣混合。

各個計算工況的能量利用系數(shù)η如圖6所示，150℃時能量利用系數(shù)均大于1，能量得到了有效利用。這是其側(cè)上送風(fēng)的氣流組織形式?jīng)Q定的，但η越大說明溫度分層越嚴(yán)重。-70℃，隨著送風(fēng)溫差的增大，出現(xiàn)了η＜1的情況，此時氣流短路，溫度分層且均勻性變差，保溫層為300 mm時最明顯。從節(jié)能的角度講，保溫層越厚越好，但是保溫層越厚成本也越高，其蓄熱也越嚴(yán)重，影響溫度的動態(tài)模擬，必須綜合分析［14-15］。

圖5 溫度不均勻性系數(shù)Fig.5 Coefficient of temperature non-uniformity

圖6 能量利用系數(shù)Fig.6 Coefficient of supply energy

4 結(jié)論

通過以上計算分析可以得出以下結(jié)論。

1）送風(fēng)溫差對環(huán)境實驗室的溫度均勻性有較大影響，溫差越大所需要循環(huán)風(fēng)量越小，浮力的作用越明顯，溫度分布越不均勻。溫差過小將導(dǎo)致所需要循環(huán)風(fēng)量加大，增加風(fēng)機功率，甚至導(dǎo)致室內(nèi)風(fēng)速超過限制。

2）保溫層厚度越厚，熱負(fù)荷越小，同等溫差下所需要循環(huán)風(fēng)量也越小，但是溫差過大時由于速度較小，溫度均勻性反而比采用較薄的保溫層時更差，保溫層較厚時應(yīng)該避免采用較大的送風(fēng)溫差。

3）如果確實需要送風(fēng)溫差較大，可通過減少送風(fēng)口數(shù)量或風(fēng)口大小，提高單個送風(fēng)口的送風(fēng)速度來保證工作區(qū)內(nèi)溫度的均勻度。

參考文獻：

［1］ GB/T 150.4A-2009，軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第4部分:低溫試驗［S］.GB/T 150.4A-2009，Laboratory Environment Test Methods for Military Materiel-Part 4:Low Temperature Test［S］.

［2］ 王浚，黃本誠，萬才大，等.環(huán)境模擬技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.WANG Jun，HUANG Ben-cheng，WAN Cai-da，et al.Environment Simulation Methods［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1996.

［3］ 馬廣順，馬振庫，趙云峰.大型低溫環(huán)境試驗室制冷系統(tǒng)設(shè)計［J］.裝備環(huán)境工程，2013，10（2）:96－98.MA Guang-shun，MA Zhen-ku，ZHAO Yun-Feng.Design of Refrigeration System for Large Environmental Test Chamber［J］.Equipment Environment Engineering，2013，10（2）:96－98.

［4］ ZHAI Zhi-qiang，ZHANG Zhao.Evaluation of Various Turbulence Models in Predicting Airflow and Turbulence in Enclosed Environment by CFD:Part-1:Summary of Prevalent Turbulence Models［J］.HVAC&R Research，2007，13（6）:853-870.

［5］ 陳曉春，朱穎心，王元.零方程模型用于空調(diào)通風(fēng)房間氣流組織數(shù)值模擬的研究［J］.暖通空調(diào)HV&AC，2006，36（8）:19－23.CHEN Xiao-chun，ZHU Ying-xin，WANG Yuan.Airflow Simulation in Air-conditioned and Ventilated Rooms with Zero-equation Model［J］.Heating Ventilating&Air Conditioning，2006，36（8）:19－23.

［6］ 覃文潔，胡春光，郭良平，等.近壁面網(wǎng)格尺寸對湍流計算的影響［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2006，26（5）:388－392.QIN Wen-jie，HU Chun-guang，GUO Liang-ping，et al.Effect of Near-wall Grid Size on Turbulent Flow Solutions［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2006（5）:388－392.

［7］ 王福軍.計算流體動力21學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.WANG Fu-jun.Computational Fluid Dynamics analysis-Principles and applications of CFD software［M］.Beijing:Tsinghua University Publishing House，2004.

［8］ 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)（第二版）［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001:353－364.TAO Wen-quan.Numerical Heat Transfer（Second Edition）［M］.Xi’an:Xi’an Jiaotong University Publishing House，2001:353－364.

［9］ ZHAI Zhi-qiang，CHEN Qing-yan.Numerical determination and treatment of convective heat transfer coefficient in the coupled building energy and CFD simulation［J］.Building and Environment，2004（39）:1001－1009.

［10］ 趙彬，李先庭，彥啟森.室內(nèi)空氣流動數(shù)值模擬的風(fēng)口模型綜述［J］.暖通空調(diào)HV&AC，2000，30（5）:33－37.ZHAO Bin，LI Xian-ting，YAN Qi-sen.Revies of Air Supply Opening Models in Numerical Simulation of Indoor Air Flow［J］.Heating Ventilating&Air Conditioning，2000，30（5）:33－37.

［11］ HAZIM B Awbi.建筑通風(fēng)［M］.李先庭，趙彬譯.北京：機械工業(yè)出版社，2011:344－346.HAZIN B Awbi.Ventilation of Buildings（Second Edition）［M］.LI Xian-ting，ZHAO Bin Translated.Beijing:China Machine Press，2011:344－346.

［12］ 趙彬，李先庭，彥啟森.入口紊亂參數(shù)對室內(nèi)空氣分布的影響研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2000（1）:1－4.ZHAO Bin，LI Xian-ting，YAN Qi-sen.Influence of Turbulence Parameters at Supply Opening on Indoor Air Distribution［J］.Building Energy&Environment，2000（1）:1－4.

［13］ GB/T 5170.5－2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備檢驗方法-濕熱試驗設(shè)備［S］.GB/T 5170.5-2008，Inspection Methods for environmental testing equipments for electric and electronic products-Damp heat testing equipments［S］.

［14］ 李兆堅.環(huán)境室傳熱特性研究［J］.制冷學(xué)報，1994（3）:17－21.LI Zhao-jian.Research on Heat Transfer Characteristics of Environment Chamber［J］.Journal of Refrigeration，1994（3）：17－21.

［15］ 吳志勇.環(huán)境試驗箱圍護結(jié)構(gòu)傳熱研究［J］.裝備環(huán)境工程，2007，4（5）:51－56.WU Zhi-yong.Study on Heat Transfer of Exterior Protected Construction of Environmental Test Chamber［J］.Equipment Environment Engineering，2007，4（5）:51－56.