嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場可視化模擬研究

閆愛政 徐先慶 王坤

摘 要：對嬰兒培養(yǎng)箱內部空氣的流動狀態(tài)分析，以計算機流體動力學知識為基礎，利用CFD計算機流體仿真軟件，建立三維仿真模型，對嬰兒培養(yǎng)內流場進行可視化模擬研究分析，實現(xiàn)仿真模型的形象化，可視化，參數(shù)化，為進一步開展系統(tǒng)研究、結構優(yōu)化設計等提供參考數(shù)據(jù)。

關鍵詞：嬰兒培養(yǎng)箱；內流場；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.198

0 引言

嬰兒培養(yǎng)箱是一種嬰幼兒保育設備，采用“空氣對流熱調節(jié)”的循環(huán)方式，維持嬰兒艙內域流場參數(shù)的穩(wěn)定性。在空氣流動循環(huán)過程中，路程較長，過程復雜，空氣流動狀態(tài)比較抽象，很難把控空氣流速和溫度場的分布狀態(tài)。本文以計算流體動力學知識為基礎，利用CFD計算機流體仿真軟件，對嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場進行的可視化模擬研究。

1 嬰兒培養(yǎng)箱空氣流動循環(huán)原理

目前，多數(shù)廠家生產的嬰兒培養(yǎng)箱是由風扇驅動，采用“縱向空氣對流熱調節(jié)”方式，維持內部空氣往復循環(huán)的過程。通過空氣入口，補充在循環(huán)過程中損失的空氣；利用電加熱器，保證空氣的適宜溫度；通過風道結構的設計，控制空氣流場的分布狀態(tài)等。其空氣循環(huán)通道結構主要包括風扇、加熱器、腔體、隔板、嬰兒艙、前內襯板、上內襯板、后內襯板、嬰兒床等。如圖1。

2 CFD建模與仿真

基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場可視化模擬研究，是通過建立嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場仿真模型，利用CFD計算機流體仿真軟件進行仿真，并對仿真結果進行參數(shù)化和可視化處理，有效的觀察和分析嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流場循環(huán)過程[1]。

建立三維仿真模型，采用自適應網(wǎng)格的劃分方法進行網(wǎng)格劃分，采用瞬態(tài)模擬，設置流體計算域和風扇旋轉計算域。計算域介質為理想空氣，風扇旋轉域的運動模式為旋轉模式，旋轉速度為100rad/s?？諝膺M口溫度設為環(huán)境溫度25℃，出口溫度設置為出口平均溫度，加熱器表面溫度為45℃，壁面設置為絕熱條件。

參照GB 11243-2008，在模型中設置五個監(jiān)控點，分別命名為A、B、C、D、E，分別監(jiān)控其速度、溫度和壓力的變化[2]。根據(jù)求解器收斂情況，判斷程序求解運行過程是否正常，及確認求解結束。

3 仿真結果分析

利用CFD軟件的后處理器對計算的數(shù)據(jù)結果進行參數(shù)化和可視化分析。建立模型中A、B、C、D、E五點的速度和溫度進行分析，與樣機實測數(shù)據(jù)相比較，驗證仿真結果的合理性。如表1，2。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，計算值與實測值的分布狀態(tài)一致，并且五個監(jiān)控點速度平均值均在0.1m/s以下，監(jiān)控點溫度平均值相互之間最大相差0.1℃，滿足國標不大于0.8℃的要求。滿足嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流動狀態(tài)分析使用參數(shù)要求，因此可以確認仿真結果是合理的。

4 總結

基于CFD的嬰兒培養(yǎng)箱內流場可視化模擬仿真，分析嬰兒培養(yǎng)箱內空氣流動狀態(tài)，得到嬰兒培養(yǎng)箱內部空氣流動特性。經(jīng)過仿真結果后處理分析，能夠進行全方位的視覺觀察嬰兒培養(yǎng)箱內部空氣的整個循環(huán)過程和流動特性，并提供詳細和完整的數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)了仿真模型的形象化，可視化，參數(shù)化，彌補理論分析的抽象化、簡單化和實驗分析的周期長，投入成本高等不足問題，為進一步開展的系統(tǒng)研究，結構優(yōu)化設計等方面提供參考數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]高飛，李昕.ANSYS CFX 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013：89-90.

[2]GB 11243—2008.醫(yī)用電氣設備 第二部分：嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求[S].北京：中國標準出版社，2009.

作者簡介：閆愛政（1984-），男，安徽人，碩士，研究方向是電子儀器結構件設計，有限元分析仿真，流體動力學的模擬仿真研究。