大型氣候?qū)嶒?yàn)室氣流組織仿真分析

馬建軍，姜亞軍

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

大型氣候?qū)嶒?yàn)室可模擬極端低溫、高溫、濕熱、降雪、凍雨、太陽(yáng)輻照、淋雨等綜合氣候環(huán)境，滿足大型裝備的綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)需求[1-2]。在這些氣候環(huán)境中，溫度是最基本的因素之一，試驗(yàn)溫度允差應(yīng)在±2 ℃范圍內(nèi)（對(duì)于大于5 m3的試件，溫度允差可以為±3 ℃）[3]。此外，不同氣候試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)風(fēng)速還有要求[4]，如GJB 150A 中的高溫、低溫試驗(yàn)規(guī)定試件附近風(fēng)速不超過(guò)1.7 m/s，太陽(yáng)輻照試驗(yàn)風(fēng)速應(yīng)盡可能小，通常保持在0.25～1.5 m/s。實(shí)驗(yàn)室的溫度和速度場(chǎng)是氣流組織決定的。由于實(shí)驗(yàn)室尺寸較大，層高超過(guò)22 m，有效試驗(yàn)容積近10 000 m3，屬于高大空間[5]，需要有效的設(shè)計(jì)氣流組織，以滿足試驗(yàn)溫度均勻性和風(fēng)速要求。

氣流組織設(shè)計(jì)方法主要有四種：射流公式法、Zonal Model 模型、模型實(shí)驗(yàn)和CFD 數(shù)值模擬。前三種方法在適應(yīng)性、計(jì)算準(zhǔn)確度、投資、周期等方面存在問(wèn)題。自1974 年丹麥P. V. Nielsen 首次將CFD 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)氣流CFD 數(shù)值模擬以來(lái)，CFD 在氣流組織設(shè)計(jì)上越來(lái)越成熟[6]，并且已應(yīng)用于小型實(shí)驗(yàn)箱的氣流組織設(shè)計(jì)研究[7-8]。文中采用CFD 方法對(duì)大型氣候?qū)嶒?yàn)室氣流組織進(jìn)行數(shù)值分析，以獲得合理的氣流組織設(shè)計(jì)方案。

1 氣流組織形式

一般環(huán)境實(shí)驗(yàn)室氣流組織形式主要有三種：側(cè)送側(cè)回、上送下回、下送上回。小型環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱/實(shí)驗(yàn)室多采用側(cè)送側(cè)回和上送下回（孔板送風(fēng)）的形式。側(cè)送側(cè)回送風(fēng)射流射程比較長(zhǎng)，送風(fēng)氣流在到達(dá)工作區(qū)之前已充分混合，速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)都趨于均勻和穩(wěn)定。對(duì)于大型氣候?qū)嶒?yàn)室，送風(fēng)速度很高。上送下回氣流組織常見(jiàn)的是全面孔板送風(fēng)和密布散流器送風(fēng)，全面孔板送風(fēng)射流的擴(kuò)散和混合性較好，射流的混合過(guò)程很短，溫差和風(fēng)速度衰減快，不適用于高大空間實(shí)驗(yàn)室；散流器送風(fēng)則可根據(jù)降溫或加熱需求，改變送風(fēng)射流的方向，降溫時(shí)水平送風(fēng)，加熱時(shí)豎直向下送風(fēng)，以抵消浮力作用。國(guó)外大型氣候?qū)嶒?yàn)室如美國(guó)麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室和韓國(guó)ADD 氣候?qū)嶒?yàn)室均采用上送下回的散流器送風(fēng)氣流組織形式，如圖1 所示。

圖1 國(guó)外大型氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)

美國(guó)麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室寬76 m、深61 m，中心高為21 m，下沿高度為11 m，容積為93 000 m3，實(shí)驗(yàn)室頂部有24 個(gè)散流器送風(fēng)，回風(fēng)口在實(shí)驗(yàn)室右側(cè)壁面下部。韓國(guó)ADD 實(shí)驗(yàn)室寬42 m，深32 m，高15 m，頂部有9 個(gè)散流器送風(fēng)，回風(fēng)口在實(shí)驗(yàn)室后側(cè)壁面下部。

大型氣候?qū)嶒?yàn)室尺寸與麥金利實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)，但其為平頂結(jié)構(gòu)，有效高度超過(guò)麥金利實(shí)驗(yàn)室，如圖2 所示。氣流組織形式同樣采用上送下回的形式，采用30 個(gè)送風(fēng)口均勻分布，右側(cè)壁面下部均勻分布5 個(gè)回風(fēng)口。由于散流器送風(fēng)射流角度通常只有兩種形式（水平或豎直），旋流器卻可以通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)葉片來(lái)連續(xù)調(diào)整送風(fēng)射流角度，且摻混效果比散流器好[9]，因此采用旋流器作為送風(fēng)口。

圖2 大型氣候?qū)嶒?yàn)室

實(shí)驗(yàn)室空艙條件下的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布是最基本的氣流組織設(shè)計(jì)內(nèi)容，若氣流組織設(shè)計(jì)滿足極端低溫和極端高溫兩個(gè)極端溫度工況，可以認(rèn)為氣流組織也將滿足中間溫度工況。文中主要分析極端低溫和極端高溫兩種空艙狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)室的氣流組織。

2 模型建立

2.1 數(shù)值方法

室內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫度分布要滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，這些方程可以表示成式（1）所示的通用形式。

式中：ρ 為空氣密度；t 為時(shí)間；對(duì)于連續(xù)性方程φ= 1，對(duì)于動(dòng)量方程 φ = Vj（j=1,2,3），對(duì)于能量方程φ=T ；v 是速度矢量； Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源項(xiàng)。

采用FLUENTL 軟件進(jìn)行分析，湍流模型采用常用的k-e 兩方程模型[10-11]，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，考慮浮力的影響開啟重力選項(xiàng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略對(duì)結(jié)果影響不大的因素，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化如下：忽略壁面、大門、頂棚的接縫和泄漏，認(rèn)為其是大平板結(jié)構(gòu)；空氣采用不可壓縮理想氣體模型，僅考慮溫度對(duì)密度的影響；空氣的黏性采用薩特蘭公式；由于壁面溫度相差很小，忽略壁面間的輻射換熱。

大空間氣流組織計(jì)算由于重力的作用，收斂較為困難，為達(dá)到快速收斂的目的，采用如下的計(jì)算策略：壓力差分采用Body Force Weighted，其余均采用二階迎風(fēng)差分格式；首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，不開啟重力選項(xiàng)，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，獲得初步穩(wěn)定流場(chǎng)與溫度場(chǎng)；然后進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，開啟重力選項(xiàng)，步長(zhǎng)為5 s，逐漸逼近，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，完成計(jì)算。

2.2 旋流器簡(jiǎn)化模型

典型的旋流器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要包括靜葉片、動(dòng)葉片（深色部分）和外殼。通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)葉片，改變其與靜葉片之間的夾角α，即可實(shí)現(xiàn)送風(fēng)射流角度從水平到豎直的連續(xù)變化。

圖3 旋流器結(jié)構(gòu)

數(shù)值分析時(shí)，如果對(duì)風(fēng)口進(jìn)行詳細(xì)幾何建模，由于風(fēng)口的尺寸與計(jì)算空間相比很小，而風(fēng)口需要較細(xì)的網(wǎng)格才能準(zhǔn)確模擬流動(dòng)狀態(tài)，將導(dǎo)致網(wǎng)格繁多，計(jì)算周期大大延長(zhǎng)。通常采用風(fēng)口簡(jiǎn)化模型來(lái)模擬風(fēng)口的流動(dòng)[12-13]，對(duì)于旋流器，采用指定速度法進(jìn)行模擬，如圖4 所示。旋流風(fēng)口的葉片出風(fēng)平面簡(jiǎn)化為一個(gè)圓形面，將其等分為12 個(gè)扇形區(qū)域，其中6 塊陰影部分為出風(fēng)面，其余為封閉區(qū)域。送風(fēng)特性由三個(gè)參數(shù)決定：外徑R2、內(nèi)徑R1以及切向角θ，送風(fēng)軸向速度vaxis按式（2）計(jì)算。

式中：V˙為風(fēng)口體積流量，m3/s。送風(fēng)切向速度vtan按式（3）計(jì)算。

圖4 旋流風(fēng)口簡(jiǎn)化模型

根據(jù)坐標(biāo)變換得到直角坐標(biāo)系下的速度分量，再通過(guò)UDF 附加到出風(fēng)面當(dāng)作邊界條件。為驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型的可行性，對(duì)詳細(xì)模型和簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了數(shù)值分析對(duì)比。旋流器尺寸為B=1.5 m，R=1.9 m，R1=0.5 m，R2=1.5 m，T=0.2 m。如圖5 所示，將旋流器安裝在一個(gè)直徑40 m、高度4 0m 的空間內(nèi)，風(fēng)口懸掛在空間頂部圓心處，出風(fēng)口平面與空間頂部3.5 m，計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 旋流風(fēng)口數(shù)值分析計(jì)算網(wǎng)格

詳細(xì)模型和簡(jiǎn)化模型的送風(fēng)射流軌跡如圖6 和圖7 所示。可見(jiàn)θ 與α 存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)改變?chǔ)?的值可以近似模擬實(shí)際的流動(dòng)狀態(tài)，可以模擬α 的范圍為5°～25°。

圖6 真實(shí)模型流動(dòng)軌跡

簡(jiǎn)化模型與詳細(xì)模型的流動(dòng)分布對(duì)比見(jiàn)表1，其中流量為8 m3/s。表1 中Modelr和Models分別指真實(shí)模型和簡(jiǎn)化模型，vsmax為風(fēng)口出風(fēng)面最大風(fēng)速，L1.7、L1.0分別表示送風(fēng)射流末端速度為1.7、1.0 m/s時(shí)的射程。從表1 中可以看出，可以根據(jù)實(shí)際風(fēng)口葉片夾角α 的流動(dòng)狀態(tài)來(lái)確定簡(jiǎn)化模型的切向角θ。最大面風(fēng)速因?yàn)楹?jiǎn)化模型的先天缺陷而與詳細(xì)模型存在一定差異，但在射程上則差別很小，可以準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)送風(fēng)氣流在室內(nèi)的流動(dòng)，簡(jiǎn)化模型是可行的。下面將采用這種簡(jiǎn)化模型對(duì)大空間氣候?qū)嶒?yàn)室的氣流組織進(jìn)行分析與優(yōu)化。

圖7 簡(jiǎn)化模型流動(dòng)軌跡

2.3 計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件

由于送風(fēng)口出風(fēng)流動(dòng)復(fù)雜，為準(zhǔn)確反應(yīng)流動(dòng)同時(shí)降低計(jì)算量，在風(fēng)口附近、地坪、天花板、大門、保溫壁面附近網(wǎng)格同樣進(jìn)行加密處理。第一層網(wǎng)格高度為10 mm，并在計(jì)算過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)格尺寸，以滿足壁面30＜y+＜300，避免不合理的傳熱[14-15]。最終網(wǎng)格數(shù)量為200 萬(wàn)，網(wǎng)格劃分如圖8 所示。

邊界條件的設(shè)置如下所述。

1）旋流器：速度分布按2.2 節(jié)中的簡(jiǎn)化模型通過(guò)UDF 施加，送風(fēng)溫度極端低溫時(shí)為-60 ℃，極端高溫時(shí)為+79 ℃。

2）回風(fēng)口：壓力出口條件。

3）地板：地板為混凝土結(jié)構(gòu)，蓄熱能力較強(qiáng)，且與氣流組織耦合傳熱，很難預(yù)測(cè)其達(dá)到溫度穩(wěn)定的時(shí)間，因此地板設(shè)置為溫度邊界條件，分析地板溫度與空氣目標(biāo)溫度差10、20、30 ℃時(shí)的氣流組織。

表1 簡(jiǎn)化模型與詳細(xì)模型流動(dòng)參數(shù)對(duì)比

圖8 網(wǎng)格劃分

4）壁面、大門、頂棚：均設(shè)置為對(duì)流換熱邊界，固體域?yàn)?.2 m 厚聚氨酯泡沫（導(dǎo)熱系數(shù)為0.0237 W/(m·K)），自由來(lái)流溫度在極端低溫工況時(shí)為35 ℃，極端高溫工況時(shí)為-10 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為 10 W/(m2·K)。

2.4 評(píng)價(jià)方法

為評(píng)估氣流組織的效果，引入溫度不均勻度σ，其按式（4）計(jì)算。

式中：ti為監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，℃；t 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度平均值，℃；n 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)即為工作區(qū)內(nèi)網(wǎng)格的中心點(diǎn)，工作區(qū)指距離室內(nèi)壁面2 m，離地面1 m，離風(fēng)口2 m 的有效試驗(yàn)空間。

3 結(jié)果分析

3.1 極端低溫

極端低溫時(shí)，送風(fēng)量按換氣次數(shù)6 次/h 給定，送風(fēng)角度θ=65°。當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?35 ℃（地面與目標(biāo)室溫差Δtf=20 ℃）時(shí)的室內(nèi)流動(dòng)跡線如圖9 所示?？梢?jiàn)低溫工況下，送風(fēng)射流一出送風(fēng)口便快速與周圍空氣混合，同時(shí)在浮力作用下到達(dá)地面，整個(gè)空間流動(dòng)較為均勻，沒(méi)有因?yàn)榛仫L(fēng)口都在側(cè)面而出現(xiàn)流動(dòng)的不均勻性。回風(fēng)口附近有較高的風(fēng)速，但其影響范圍較小。

圖9 Δtf=20 ℃時(shí)極端低溫工況流線

實(shí)驗(yàn)室中部（y=30 m）處的速度和溫度場(chǎng)分布情況如圖10 所示?？梢钥闯?，得益于旋流風(fēng)口良好的摻混效果，送風(fēng)射流速度衰減很快，大部分區(qū)域風(fēng)速在0.3～0.7 m/s 之間，滿足低溫試驗(yàn)要求的不大于1.7 m/s 的要求。溫度分布同樣比較均勻，整個(gè)工作區(qū)內(nèi)溫度介于-57.5～-56.0 ℃之間，沒(méi)有明顯的溫度梯度。垂直方向在地表附近溫度梯度較為明顯，但處于工作區(qū)外。

圖10 Δtf =20 ℃時(shí)y=30 m 剖面速度和溫度分布

工作區(qū)內(nèi)，不同地面溫度或Δtf時(shí)，寬度（x 方向）和高度（z 方向）剖面平均溫度ta和溫度不均勻度σ 如圖11 所示。可以看出，地面溫度升高導(dǎo)致ta和σ 同時(shí)增大，這是上送下回的氣流組織形式?jīng)Q定的。在浮力作用下，冷氣流下沉，熱氣流上升，Δtf的增大不僅會(huì)導(dǎo)致地面散熱量的增大，還會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)浮力作用，引起實(shí)驗(yàn)室整體溫度的上升。實(shí)驗(yàn)室整體溫度上升也意味著送、回風(fēng)溫差的變大，導(dǎo)致溫度均勻性變差。

圖11 不同地面溫度下剖面平均溫度和溫度不均勻度分布Fig.11 Section plane average temperature and un-uniformity under different floor temperature

地面溫度的影響見(jiàn)表2。從表2 中可知，地面溫度每升高10 ℃，室內(nèi)平均溫度ta升高1.54 ℃，回風(fēng)溫度tr升高1.33 ℃。同時(shí)由于浮力作用增強(qiáng)，室內(nèi)平均速度va相應(yīng)增大0.1 m/s。Δtf增大到30 ℃時(shí)，回風(fēng)口的溫度甚至低于室內(nèi)平均溫度，這說(shuō)明送風(fēng)射流與周圍空氣換熱不充分，出現(xiàn)了氣流短路的現(xiàn)象。

表2 極端低溫時(shí)不同地面溫度下室內(nèi)參數(shù)

3.2 極端高溫

極端高溫時(shí)，考慮空氣密度變小和浮力作用，將送風(fēng)體積流量提高50%，換氣次數(shù)提高到9 次/h，這時(shí) 保 持 送 風(fēng) 角 度 θ=65°。 地 面 溫 度 為 54 ℃（Δtf=-20 ℃）時(shí)室內(nèi)的流動(dòng)跡線如圖12 所示，送風(fēng)射流受浮力作用而很難到達(dá)地面。

圖12 Δtf =-20 ℃時(shí)極端高溫工況流線

實(shí)驗(yàn)室中部（y=30 m）處的速度和溫度場(chǎng)分布情況如圖13 所示。雖然送風(fēng)體積流量加大，但工作區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域的風(fēng)速僅為0.3 m/s 左右。離地面5 m以下的空間存在明顯的溫度梯度，達(dá)到了0.6 ℃/m；地面5 m 以上的空間溫度分布很均勻，整個(gè)區(qū)域溫差僅0.5 ℃。

工作區(qū)內(nèi)不同地面溫度或Δtf時(shí)，寬度（x 方向）和高度（z 方向）剖面平均溫度ta和溫度不均勻度σ如圖14 所示。地面溫度降低導(dǎo)致平均溫度ta的降低和σ 增大，但變化輻度遠(yuǎn)比低溫時(shí)小。地面溫度對(duì)地面5 m 以下區(qū)域高度方向的溫度影響非常明顯，對(duì)5 m 以上的空間影響不大。這是因?yàn)榕c低溫工況相反，高溫時(shí)送風(fēng)溫度較高，而呈現(xiàn)出向上流動(dòng)的趨勢(shì)，地面溫度較低，導(dǎo)致地面附近空氣溫度降低而向下流動(dòng)。又因送風(fēng)速度衰減較快無(wú)法到達(dá)地面，導(dǎo)致地面溫度的影響僅限于地面附近區(qū)域。

圖13 Δtf =-20 ℃時(shí)y=30 m 剖面速度和溫度分布

圖14 不同地面溫度下剖面平均溫度和溫度不均勻度分布

地面溫度的影響見(jiàn)表3，地面溫度對(duì)室內(nèi)平均溫度、回風(fēng)溫度和平均速度的影響并不顯著，但對(duì)地面附近區(qū)域溫度影響很大，導(dǎo)致不均勻度隨地面溫度降低而顯著增大。

表3 極端高溫時(shí)不同地面溫度下室內(nèi)參數(shù)

3.3 氣流組織優(yōu)化

極端高溫工況面臨的主要問(wèn)題是送風(fēng)射流無(wú)法有效抵達(dá)地面，調(diào)整送風(fēng)角度θ=75°，使送風(fēng)射流方向盡可能豎直向下。當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?4 ℃（Δtf=-30 ℃）時(shí)室內(nèi)流動(dòng)跡線如圖15 所示，可見(jiàn)氣流流動(dòng)得到有效改善，送風(fēng)射流可以有效抵達(dá)地面。這也導(dǎo)致送風(fēng)射流速度衰減較慢，離出風(fēng)口9 m 處送風(fēng)射流速度才降至1.7 m/s 以下，對(duì)于高度較高的大型試件存在風(fēng)速超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。地面附近區(qū)域高度方向溫度梯度明顯改善，地面1～5 m 空間內(nèi)，溫度在77.0～77.5 ℃之間，如圖16 所示。

圖15 θ=75°和Δtf=-30 ℃時(shí)極端高溫工況流線

圖16 θ=75°和Δtf=-30 ℃時(shí)y=30 m 剖面速度和溫度分布

送風(fēng)角度的改變，使得送風(fēng)氣流到達(dá)地面，工作區(qū)平均風(fēng)速增大至0.38 m/s，增大了與地面的換熱量。室內(nèi)溫度（ta=77.48 ℃）和回風(fēng)溫度（tr=77.23 ℃）有所降低，但工作區(qū)溫度不均勻度降低至0.38 ℃，甚至優(yōu)于調(diào)整送風(fēng)角度前Δtf=-20 ℃時(shí)的0.40 ℃。地面附近高度方向溫度梯度明顯改善，5 m 高度以上的空間由于送風(fēng)射流摻混作用降低，不均勻度略增大，如圖17 示。

圖17 θ=75°和Δtf=-30 ℃時(shí)剖面平均溫度和溫度不均勻度分布對(duì)比

5 結(jié)論

文中主要對(duì)大型氣候?qū)嶒?yàn)室的氣流組織進(jìn)行了仿真分析，設(shè)計(jì)了旋流風(fēng)口幾何模型，并提出了一種簡(jiǎn)化風(fēng)口CFD 仿真模型。根據(jù)國(guó)內(nèi)外氣候?qū)嶒?yàn)室現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了上送下回的氣流組織形式。對(duì)兩種最極端的試驗(yàn)工況極端低溫和極端高溫下的氣流組織進(jìn)行了仿真分析，研究了送風(fēng)量、送風(fēng)角度、地面溫度對(duì)室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，得出以下結(jié)論。

1）采用旋流器作為送風(fēng)口和上送下回的氣流組織形式適用于高度較高的大型氣候?qū)嶒?yàn)室。

2）受浮力影響，極端低溫和極端高溫工況應(yīng)采用不同的送風(fēng)角度，以使送風(fēng)氣流抵達(dá)地面，降低地面附近的溫度梯度，高溫時(shí)還應(yīng)提高送風(fēng)量。

3）極端低溫工況下，地面溫度升高將導(dǎo)致室內(nèi)溫度和溫度不均勻度整體上升，甚至出現(xiàn)氣流短路現(xiàn)象。

4）極端高溫工況下，地面溫度對(duì)地面附近區(qū)域的溫度場(chǎng)影響較大，對(duì)5 m 以上的空間影響不顯著。高溫工況時(shí)，增大送風(fēng)角度θ，使氣流方向盡可能向下，將改善地面附近的溫度場(chǎng)，但導(dǎo)致送風(fēng)速度衰減較慢，對(duì)于高度較高的試件，試驗(yàn)風(fēng)速有可能超標(biāo)，此時(shí)應(yīng)減小θ 并延長(zhǎng)高溫持續(xù)時(shí)間，使地面溫度上升到合理值。