以最佳溫度均勻度為目標(biāo)的常壓熱循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

張婉雨，吳靜怡*，李春煜，王珊珊

（1.上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

近年來(lái)，隨著航天航空技術(shù)的不斷發(fā)展，航天探測(cè)逐漸向深空邁進(jìn)，這需要航天器能夠在越來(lái)越惡劣的空間環(huán)境中長(zhǎng)期生存[1?2]。為了確保航天器可以在溫度較低的環(huán)境中正常運(yùn)行，須在研制階段進(jìn)行大量地面熱試驗(yàn)，提前發(fā)現(xiàn)工藝缺陷[3]。熱循環(huán)試驗(yàn)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、試驗(yàn)周期短的優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地被應(yīng)用于航天器地面環(huán)境試驗(yàn)中[4]。在低溫情況下對(duì)試件模型進(jìn)行缺陷診斷時(shí)，重要的一環(huán)是對(duì)其進(jìn)行降溫以達(dá)到試驗(yàn)所需溫度。在整個(gè)降溫過(guò)程中，不僅要求試件模型在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，并且要將降溫過(guò)程中的溫度均勻度控制在一定范圍內(nèi)，避免試件模型由于溫度不均而產(chǎn)生熱變形，造成損傷。

為了完成對(duì)試件模型的降溫，試驗(yàn)系統(tǒng)要借助低溫流體與模型間的對(duì)流換熱，達(dá)到降低溫度的目的。由于試驗(yàn)箱體尺寸大，且低溫流體與模型間溫差較大，故試驗(yàn)箱體內(nèi)傳熱模式為以混合對(duì)流為主的導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射的耦合傳熱。針對(duì)豎直方管內(nèi)的混合對(duì)流，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Barletta[5?6]對(duì)充分發(fā)展段的豎直矩形通道混合對(duì)流問(wèn)題進(jìn)行了理論求解，并獲得Nu數(shù)、Gr數(shù)和Re數(shù)間的關(guān)系。Yang等[7?8]對(duì)于豎直方管的流動(dòng)及混合對(duì)流傳熱特性進(jìn)行了研究；黃一也等[9]針對(duì)湍流狀態(tài)下的混合對(duì)流進(jìn)行了仿真模擬，提出了壁面Nu隨Re與Gr的變化規(guī)律，并得出相應(yīng)關(guān)聯(lián)式。對(duì)于導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射耦合傳熱等方面的問(wèn)題，近幾十年來(lái)很多學(xué)者對(duì)不同研究對(duì)象中的耦合傳熱進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，如Balaji等[10]對(duì)二維槽道內(nèi)的耦合傳熱問(wèn)題進(jìn)行了仿真模擬，并得到了相應(yīng)條件下壁面Nu關(guān)聯(lián)式；Martyushev等[11]分析了含有內(nèi)熱源的二維腔體內(nèi)的耦合問(wèn)題，得出了Nu與Ra、流固導(dǎo)熱系數(shù)比以及壁面厚度間的影響規(guī)律及相應(yīng)關(guān)聯(lián)式。由于條件限制，上述關(guān)于耦合傳熱的研究大多集中于二維對(duì)象，且多為穩(wěn)態(tài)傳熱下的規(guī)律。在常壓熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)中，由于航天器的不對(duì)稱性，耦合傳熱與流動(dòng)難以進(jìn)行二維簡(jiǎn)化，多為三維非穩(wěn)態(tài)。目前的研究機(jī)制無(wú)法對(duì)三維模型進(jìn)行描述，不適用于大尺寸模型的降溫過(guò)程。

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì)放置試件模型的航天器熱循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)流?固?熱耦合降溫過(guò)程進(jìn)行研究，分析在不同的模型擺放方式及流道布置下，試驗(yàn)箱內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱特性，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，試驗(yàn)箱內(nèi)模型的平均溫度和溫度分布均勻性的變化規(guī)律，為以后熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取及優(yōu)化提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

所采用試件的物理模型如圖1所示。主要對(duì)降溫過(guò)程進(jìn)行仿真分析，在降溫過(guò)程中，低溫流體以恒定的溫度、恒定的流量流入長(zhǎng)寬高為10 mm×6 mm×8 mm的試驗(yàn)箱體內(nèi)。低溫流體與試驗(yàn)箱內(nèi)試件模型進(jìn)行換熱后，帶走試件模型自身熱量，達(dá)到降溫的目的；當(dāng)試件模型平均溫度達(dá)到255 K，即高于入口平均溫度2 K時(shí)，認(rèn)為降溫過(guò)程完成。在整個(gè)換熱過(guò)程中，假設(shè)壁面處于絕熱狀態(tài)，且模型在試驗(yàn)箱體內(nèi)的位置固定，采用無(wú)滑移假設(shè)。試驗(yàn)箱體內(nèi)流體為干燥空氣，流速較低，視為不可壓流體。流體密度采用Boussinesq近似，僅考慮密度變化對(duì)體積力的影響。流體的其他物性在仿真計(jì)算中視為常數(shù)。仿真中使用的流體及固體物性參數(shù)如表1所列。

圖1 仿真計(jì)算中試驗(yàn)箱體物理模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of test chamber used in simulation calculation

表1 流體及固體物性參數(shù)Tab.1 Fluid and solid parameters

試件模型為薄壁結(jié)構(gòu)的圓柱體，壁厚為10 mm，材質(zhì)為Al。利用ANSYS平臺(tái)下FLUENT 16.0進(jìn)行仿真計(jì)算，湍流模型選擇transition SST?k?ω模型。采用非均勻網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，為了更精確地對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，對(duì)試件模型附近邊界層流動(dòng)進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，以滿足邊界層網(wǎng)格要求。

除此之外，為了研究試件形狀對(duì)換熱的影響，引入表征形狀的高徑比：

式中：hcy與dcy分別為圓柱試件模型的高與底面直徑。

為了對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的熱循環(huán)系統(tǒng)的降溫效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)溫度進(jìn)行無(wú)量綱化處理。無(wú)量綱溫度表示為：

式中：T為箱體空間溫度；Te為環(huán)境溫度及初始時(shí)箱體空間溫度；Tin為入口流體溫度。

引入平均無(wú)量綱溫度量化降溫速率，引入無(wú)量綱溫度極差與無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差量化溫度均勻度。其中平均無(wú)量綱溫度表示為：

式中：V為箱體體積。

無(wú)量綱溫度極差表示為：

無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差表示為：

2 仿真結(jié)果分析

采用上述模型對(duì)熱循環(huán)系統(tǒng)降溫過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。國(guó)軍標(biāo)規(guī)定了試驗(yàn)箱為空箱時(shí)的溫度均勻性，在空箱實(shí)驗(yàn)中，制冷過(guò)程采用上進(jìn)下出的方式容易達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究之前，對(duì)放有試件模型的試驗(yàn)箱體在上進(jìn)下出方式下的降溫過(guò)程進(jìn)行研究。此過(guò)程的具體試驗(yàn)工況為：流體在入口處的流速為0.1 m∕s（體積流量為2.16×104m3∕h），入口處流體溫度為253 K，試件模型位于整個(gè)試驗(yàn)箱體的中間，底面距離箱底3 m。計(jì)算所得相關(guān)參數(shù)如圖2所示?？梢钥闯觯S著網(wǎng)格數(shù)量的增加，試驗(yàn)箱體內(nèi)全局無(wú)量綱平均溫度及試件模型無(wú)量綱溫度均勻度均單調(diào)遞減，并逐漸趨于某一數(shù)值。為了在保證足夠精確度的情況下提高運(yùn)算速度，采用338萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行一系列的仿真模擬。此外，依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 150A對(duì)于溫度測(cè)點(diǎn)的布置要求并考慮試驗(yàn)空間的對(duì)稱性，利用黃一也等[9]試驗(yàn)結(jié)果，在相同工況下（圖3）對(duì)仿真所用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。仿真與試驗(yàn)所得結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，壁面附近偏差小于1%，仿真與試驗(yàn)最大偏差小于2.5%，這說(shuō)明仿真計(jì)算所選用模型能夠準(zhǔn)確反映試驗(yàn)箱體在實(shí)際運(yùn)行中的溫度分布。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證曲線Fig.2 Results of the grid independence verification.

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)溫度傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of temperature sensor arrangement in the test system

圖4 穩(wěn)態(tài)溫度模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線Fig.4 Comparison of steady state temperature by simulation and experiment

圖5（a）、（b）分別為有試件模型時(shí)，降溫2 h之后過(guò)中軸線Y?Z截面上試驗(yàn)箱體內(nèi)的溫度分布以及豎直方向的速度分布。從圖5（a）中可以看出，在降溫2 h之后，箱體外流域溫度基本已經(jīng)與入口溫度相同，但在試件模型下部與出口間出現(xiàn)一個(gè)錐形高溫區(qū)域，溫度與環(huán)境溫度相同。從試件模型及模型內(nèi)流域溫度可以看出，試件模型側(cè)面降溫速率最大，上部降溫速率快于底部。結(jié)合豎直方向上流體流動(dòng)速度分布可以看出，試件模型側(cè)面流體流速較大，通過(guò)混合對(duì)流與試件模型進(jìn)行換熱。

圖5 試件模型在降溫2 h后過(guò)中軸線Y-Z截面上無(wú)量綱溫度分布與豎直方向上流體流動(dòng)速度分布Fig.5 Dimensionless temperature distribution and vertical velocity distribution on theY-Zmiddleplane after cooling for 2 h

從圖5（b）中看出，相較于空箱下低溫流體較為穩(wěn)定的從進(jìn)口向出口流動(dòng)，當(dāng)有試件模型存在時(shí)，上端面出現(xiàn)滯止區(qū)，低溫流體在此堆積聚集，導(dǎo)致對(duì)流效果大大減弱。而在底面局部區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)速度方向翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)回流現(xiàn)象，這使得出口處于環(huán)境溫度的流體流入試驗(yàn)箱內(nèi)，占據(jù)了底部區(qū)域，高溫流體的侵入導(dǎo)致試件模型與流體間溫度差減小，對(duì)降溫過(guò)程產(chǎn)生抑制作用。因此，試件模型各處降溫速率呈現(xiàn)上述現(xiàn)象?；谝陨蠈?duì)試驗(yàn)箱內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)及降溫性能的分析，以上述工況為基礎(chǔ)，對(duì)熱循環(huán)系統(tǒng)中不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（試件模型離箱底高度、形狀及流體送入方式）進(jìn)行仿真計(jì)算，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)試件模型降溫過(guò)程的影響，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化參數(shù)目的。

2.1 試件模型離箱底高度對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)降溫速率及溫度分布的影響

從圖5可以看出，由于試件模型對(duì)氣流的阻擋作用，試驗(yàn)箱體底部出現(xiàn)高溫回流區(qū)域從而減緩了降溫進(jìn)程，而試件模型與試驗(yàn)箱底部的距離影響著回流區(qū)的位置及大小。因此為了研究試件模型離箱底高度對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，在維持上述工況的送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度及水平位置一致，以0.5 m為間隔，改變模型的豎直位置，即模型底面距試驗(yàn)箱底的高度D，獲得的試件模型無(wú)量綱平均溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。從圖中可以看出，隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，試件模型無(wú)量綱平均溫度逐漸降低。當(dāng)D≤4.0 m時(shí)，降溫末期試件模型無(wú)量綱溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，在24 h內(nèi)無(wú)法完成降溫過(guò)程。當(dāng)D=4.5 m時(shí)，降溫時(shí)間縮短至12 h。固定降溫時(shí)間縱向比較可以看出，隨著離地高度的增加，模型降溫速率逐漸加快，完成降溫所需的時(shí)間也逐漸減少。

圖6 離箱底高度對(duì)試件模型無(wú)量綱平均溫度的影響曲線Fig.6 Effect of the distance between the model and the test chamber bottom on dimensionless average temperature of the model

圖7（a）、（b）分別為降溫2 h時(shí)過(guò)中軸線Y?Z截面的溫度與豎直方向流體流動(dòng)速度分布情況。從圖7（a）中可以看出，隨著試件模型離箱底高度的增大，其底部流體溫度逐漸降低，高溫區(qū)域截面形狀由方形逐漸變?yōu)殄F形直至消失。從圖7（b）可以看出，試件模型底部回流區(qū)域隨試件模型離箱底高度的增大逐漸上移，這使得參與回流的流體由出口處常溫流體變?yōu)閷?shí)驗(yàn)箱體內(nèi)低溫流體，這在一定程度上加快了試件模型底部的換熱進(jìn)程，提高了整體降溫速率。當(dāng)D≤4.0 m時(shí)，試件模型底部存在高溫區(qū)域，隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，高溫區(qū)域與試件模型及模型內(nèi)流域間形成了較為穩(wěn)定的溫度梯度，此時(shí)對(duì)流與導(dǎo)熱對(duì)試件模型溫度的影響愈加微弱，降溫過(guò)程基本停滯，因此出現(xiàn)圖6中降溫末期溫度基本不變的情況。

圖7 降溫2 h后試件模型不同離箱底高度時(shí)過(guò)中軸線Y-Z截面的無(wú)量綱溫度分布與豎直方向上流體流動(dòng)速度分布Fig.7 Dimensionless temperature distribution and vertical velocity distribution on the Y-Z middleplaneat different distances after cooling for 2 h

圖8（a）、（b）分別為試件模型離箱底高度對(duì)無(wú)量綱溫度極差及無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差影響隨降溫時(shí)間的變化曲線。從兩圖的對(duì)比可以看出，無(wú)量綱溫度極差與無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)基本一致。

圖8 試件模型離箱底高度對(duì)無(wú)量綱溫度極差和無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差的影響Fig.8 Effect of the distances between the model and the test chamber bottom on dimensionless temperature difference and dimensionless temperature standard deviation of the model

當(dāng)D＜4.0 m時(shí)，無(wú)量綱溫度極差與無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差均隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸增大，最終趨于一穩(wěn)定值。當(dāng)D>4.0 m時(shí)，無(wú)量綱溫度極差與無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于在降溫初期試件模型外壁與低溫流體通過(guò)對(duì)流迅速換熱使得試件模型表面溫度降低。同時(shí)試件模型的壁厚使得冷量無(wú)法快速到達(dá)試件模型內(nèi)壁，內(nèi)壁面溫度降低速率低于外壁面，導(dǎo)致試件模型不同時(shí)刻無(wú)量綱溫度極差逐漸增大，無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨之增大；隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，試件模型外壁面溫度基本降至入口溫度，冷量逐漸傳遞到試件模型內(nèi)壁面，使得無(wú)量綱溫度極差與無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，溫度均勻性得到改善。而當(dāng)D=4.0 m時(shí)，圖8中曲線呈現(xiàn)出上述兩種情況的結(jié)合，出現(xiàn)先增大后減小而后增大至一穩(wěn)定值的情況。降溫初期，試件模型底部錐形高溫區(qū)域未完全形成，對(duì)試件模型降溫的影響弱于低溫流體與試件模型的對(duì)流換熱，使得初期溫度均勻性變化趨勢(shì)與D=5.0 m時(shí)相似；隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，底部高溫區(qū)域?qū)禍赜绊懺絹?lái)越大，成為影響降溫速率的最主要因素，溫度均勻性曲線則向另一種情況靠攏。

綜合以上分析可以看出，隨著試件模型離箱底高度的增加，參與回流的流體中低溫流體比重逐漸增大，回流區(qū)域的平均溫度降低，降溫速率逐漸增大，溫度均勻度也有所改善。從整個(gè)研究過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，改變?cè)嚰Ｐ偷碾x箱底高度只是改變回流區(qū)域位置，并沒(méi)有改變其大小。

2.2 試件模型形狀對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)降溫速率及溫度分布的影響

從上文仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，試件模型的存在使得流場(chǎng)中出現(xiàn)了滯止區(qū)與高溫回流區(qū)域等流動(dòng)結(jié)構(gòu)，增大試件模型離箱底的高度只是改變了回流區(qū)域的位置，無(wú)法影響其大小，而試件模型的形狀對(duì)流場(chǎng)分布尤其是回流區(qū)域的分布會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此在基本工況基礎(chǔ)上，為了研究不同試件模型高徑比對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布的影響，在保持入口流體溫度與速度不變的情況下，將試件模型固定在試驗(yàn)箱體中同一高度，通過(guò)改變?cè)嚰Ｐ偷母邚奖葋?lái)研究不同試件模型形狀對(duì)降溫過(guò)程的影響。通過(guò)計(jì)算高徑比AR=0.5、1、1.5、2四種情況，得到如圖9所示的不同時(shí)刻試件模型無(wú)量綱平均溫度及最大無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差變化規(guī)律。

圖9 不同降溫時(shí)間下試件模型高徑比AR對(duì)無(wú)量綱平均溫度和無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差的影響曲線Fig.9 Effect of the different aspect ratio on dimensionless temperature difference and dimensionless temperature standard deviation of the model

從圖9（a）可以看出，在降溫初期，隨著試件模型高徑比的增大，試件模型的無(wú)量綱平均溫度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。隨著降溫過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，不同高徑比間無(wú)量綱平均溫度差距逐漸縮小，AR=2時(shí)的降溫速率始終最快。至降溫末期，尤其在AR≥1時(shí)同一降溫時(shí)間試件模型的無(wú)量綱平均溫度幾乎相同。在降溫初期當(dāng)AR=2.0時(shí)，試件模型對(duì)入口低溫流體的阻礙作用明顯小于其他高徑比，入口低溫流體能最大程度地通過(guò)對(duì)流與試件模型進(jìn)行換熱，加快了降溫初期的降溫速率。隨著降溫過(guò)程的進(jìn)行，大高徑比帶來(lái)了回流區(qū)域位置的下移，這對(duì)降溫產(chǎn)生了不利的影響，AR=2.0時(shí)降溫速率逐漸減緩，與其他高徑比間無(wú)量綱平均溫度的差異也進(jìn)一步減小。從圖9（b）可以看出，無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)與無(wú)量綱平均溫度有所不同。對(duì)于同一降溫時(shí)間，隨著試件模型高徑比的增大，無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其中AR=1時(shí)試件模型的無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差最小。對(duì)于不同降溫時(shí)間，AR=0.5的試件模型無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差均大于其他高徑比。這是由于當(dāng)AR=1時(shí)，試件模型有著最大的比表面積，與低溫流體的接觸面積最大，冷量能更均勻地從各個(gè)方面向試件模型傳遞，這在一定程度上改善了試件模型降溫過(guò)程中的均勻性。當(dāng)AR=0.5時(shí)，試件模型有著最大的底面面積，這壓縮了低溫流體在水平方向上的流通面積。因此，一方面試件模型阻礙了大量低溫流體通過(guò)，使其在試件模型上面形成滯止區(qū)，減緩了試件模型底面的降溫速率；另一方面，流通面積的壓縮加快了試件模型側(cè)面附近的低溫流體豎直方向的流動(dòng)速率以及側(cè)表面的換熱速率。兩方面的影響使試件模型徑向降溫速率大于軸向降溫速率，這種降溫速率的不同使降溫過(guò)程中試件模型的溫度均勻性變差，使得AR=0.5時(shí)擁有著最大的無(wú)量綱溫度標(biāo)準(zhǔn)差。

圖10（a）、（b）分別為不同高徑比試件模型在降溫2 h后過(guò)中軸線Y?Z截面上的溫度及豎直流體流動(dòng)速度分布。從圖10（a）中可以看出，不同高徑比下試件模型及其內(nèi)流域的無(wú)量綱平均溫度分布差異不大。隨著試件模型高徑比的增大，模型底部流體區(qū)域的無(wú)量綱平均溫度逐漸減小。從圖10（b）中可以看出，隨著試件模型高徑比的增大，回流區(qū)域的位置逐漸下移，面積逐漸減小。當(dāng)AR=0.5時(shí)，回流區(qū)域擁有最快的回流速度。這是因?yàn)锳R=0.5時(shí)回流區(qū)域位置較高，因此在回流區(qū)域中的流體多為入口流入的低溫流體。低溫流體的參與加快了試件模型底部流體區(qū)域的降溫，使得AR=0.5時(shí)試件模型底部流體區(qū)域的溫度最低。隨著試件模型高徑比的增加，試件模型的高度越來(lái)越高，其底部回流區(qū)域距離出口越來(lái)越近，這種距離的縮短使得參與回流的流體中出口處流體比例增大，因此對(duì)試件模型底部流體區(qū)域的降溫帶來(lái)了一定的不利影響，導(dǎo)致了底部流體無(wú)量綱平均溫度的升高。

圖10 不同高徑比試件模型降溫2 h后過(guò)中軸線Y-Z截面的無(wú)量綱溫度分布與豎直方向上流體流動(dòng)速度分布Fig.10 Dimensionlesstemperature distribution and vertical velocity distribution on the Y-Z middleplane with different aspect ratio after cooling for 2 h

綜合以上分析可以看出，隨著試件模型高徑比的增大，一方面試件模型對(duì)于流動(dòng)的阻礙作用逐漸減?。涣硪环矫嬖嚰Ｐ偷撞炕亓鲄^(qū)域溫度逐漸增大。在二者的綜合作用下，降溫過(guò)程速率逐漸增大，但當(dāng)AR≥1后，降溫速率基本穩(wěn)定。不同于降溫速率的變化，溫度均勻度先有大幅改善而后緩慢變差。在高徑比增大的過(guò)程中，回流區(qū)域面積有所減小，但仍然存在。

2.3 流體出入方式對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)試件模型降溫速率及溫度分布的影響

通過(guò)上述對(duì)試件模型離箱底高度與高徑比的研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論試件模型形狀、位置如何變化，當(dāng)采用上進(jìn)下出的方式時(shí)，低溫流體必然受到試件模型上底面的阻擋，不可避免地導(dǎo)致了滯止區(qū)與回流區(qū)域的出現(xiàn)。為避免高溫回流區(qū)的產(chǎn)生，采用不同的流體出入方式對(duì)試件模型降溫過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。在維持上述工況的流體送入溫度與送入速度的情況下，將試件模型固定在試驗(yàn)箱體中心處，改變?cè)囼?yàn)箱體的流體送入方式，將流體出入口由豎直方向轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较颍磳⒘黧w出入由上下布置改為側(cè)面布置，由此計(jì)算不同方式下的降溫特性，得到圖11所示降溫曲線?？梢钥闯?，當(dāng)流體側(cè)面出入時(shí)試件模型可以在24 h之內(nèi)完成降溫過(guò)程。當(dāng)流體側(cè)面送入時(shí)降溫過(guò)程進(jìn)一步縮減到了7 h，模型的降溫速率大幅度加快。相對(duì)于將流體出口布置在側(cè)面，將流體入口布置在側(cè)面時(shí)提高降溫速率的效果更加明顯。當(dāng)流體入口布置在側(cè)面時(shí)，流體出口的位置對(duì)降溫速率幾乎沒(méi)有影響，兩種情況下幾乎同時(shí)完成降溫過(guò)程。

圖12（a）、（b）分別為不同流體的出入方式下降溫2 h后過(guò)中軸線Y?Z截面上的無(wú)量綱溫度及豎直流體流動(dòng)速度分布。從圖12（a）中可以看出，當(dāng)采用流體側(cè)面出入時(shí)，試件模型與試驗(yàn)箱底部間不再存在高溫區(qū)域，使得試件模型底部與低溫流體直接接觸，加快了降溫進(jìn)程，使試件模型內(nèi)部無(wú)量綱溫度明顯低于流體豎直送入方式下無(wú)量綱溫度。

圖11 流體送入方式對(duì)試件模型無(wú)量綱平均溫度的影響曲線Fig.11 Effect of the different airflow patterns on dimensionless average temperature of the model

圖12 不同的流體出入方式下降溫2 h后過(guò)中軸線Y-Z截面無(wú)量綱溫度與豎直方向流體流動(dòng)速度分布Fig.12 Dimensionless temperature distribution and vertical velocity distribution on the Y-Z middleplane with different airflow patterns after cooling for 2 h

從圖12（b）中可以看出，流體側(cè)面出入口的加入增加了試驗(yàn)箱內(nèi)流場(chǎng)的復(fù)雜程度。當(dāng)采用流體上進(jìn)側(cè)出時(shí)，在模型底部形成面積巨大且速度較快的回流區(qū)域，但此時(shí)由于流體送入方式的改變，試驗(yàn)箱體底部為封閉表面，高溫流體無(wú)法進(jìn)入試驗(yàn)箱內(nèi)，參與回流流體為箱體內(nèi)低溫流體，流體回流時(shí)與底面進(jìn)行換熱反而提高了降溫速率。相對(duì)于上部送入，流體側(cè)面送入時(shí)的流場(chǎng)分布更為復(fù)雜。由于流體入口布置在側(cè)面上部，流體入口處速度為水平方向，因此圖中未能顯示流體流入速度，但在流體入口下方壁面處形成小區(qū)域渦流。從12（b）最后兩張圖中看出，采用流體側(cè)面送入方式時(shí)，幾乎在試件模型外表面都產(chǎn)生了渦流，渦流內(nèi)流體為試驗(yàn)箱內(nèi)低溫流體，相對(duì)于流體上進(jìn)側(cè)出時(shí)在底部形成的回流，流體側(cè)面進(jìn)入時(shí)在外表面四周都能形成渦流，這大幅加快了低溫流體與試件模型外表面的對(duì)流換熱，加速了降溫進(jìn)程，使降溫時(shí)間從13 h減少到7 h，節(jié)約了46%的時(shí)間。由于流體側(cè)面進(jìn)入時(shí)試件模型周邊都參與對(duì)流換熱，因此流體側(cè)面進(jìn)入的溫度均勻性也好于上部進(jìn)入。對(duì)比后兩張圖還能看出，流體側(cè)進(jìn)側(cè)出方式下，模型周邊的回流區(qū)域要大于側(cè)進(jìn)下出方式，因此其降溫速率略快于流體側(cè)進(jìn)下出方式，溫度均勻性也有較大幅度的提升。

從對(duì)上述不同流體送入方式下的仿真計(jì)算結(jié)果分析可以看出，流體送入方式的改變帶來(lái)了回流區(qū)域位置、數(shù)量及大小的改變。在上進(jìn)下出方式下，回流區(qū)域?qū)禍剡^(guò)程有阻礙作用，而當(dāng)采用流體側(cè)面出入時(shí)，由于流體出入口對(duì)流體流動(dòng)方向的改變，回流區(qū)域內(nèi)流體溫度接近于其入口溫度，且在諸多區(qū)域尤其是試件模型外表面附近產(chǎn)生較大速度的渦流，加快了降溫過(guò)程的進(jìn)行。因此，從流體送入方式角度考慮，側(cè)進(jìn)側(cè)出方式具有最好的降溫性能，側(cè)進(jìn)下出次之，再次為上進(jìn)側(cè)出，上進(jìn)下出的降溫性能最差。

3 結(jié)論

利用FLUENT軟件對(duì)熱循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)試件模型降溫過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了試件模型離箱底高度、模型高徑比、試驗(yàn)箱流體出入方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)降溫過(guò)程的影響，主要結(jié)論如下：

（1）常規(guī)放置試件模型進(jìn)行降溫時(shí)，模型底部與箱底間產(chǎn)生高溫回流區(qū)域，大幅降低了降溫速率以及試件模型內(nèi)部溫度均勻度。

（2）隨著離箱底高度的增加，試件模型底部回流區(qū)域位置也逐漸上移，參與回流的低溫流體比例增大，模型降溫速率逐漸增加，溫度均勻度改善幅度較大。當(dāng)D≥4.5 m時(shí)，可以在12 h內(nèi)完成降溫過(guò)程；D=5.0 m時(shí)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差僅為D=1.0 m時(shí)的25%。

（3）隨著試件模型高徑比的增大，即在模型形狀逐漸從矮胖向瘦高方向變化的過(guò)程中，回流區(qū)域逐漸變小，降溫速率逐漸增大而后趨于穩(wěn)定。試件模型高徑比的增大，使其比表面積減小，在一定程度上增加了溫度標(biāo)準(zhǔn)差，使溫度均勻性開(kāi)始變差，但變化幅度較小。

（4）不同于上進(jìn)下出方式下回流區(qū)域?qū)禍剡^(guò)程產(chǎn)生的阻礙作用，流體側(cè)面出入時(shí)產(chǎn)生的回流一定程度上加快了降溫進(jìn)程。流體側(cè)面送入可以明顯加快降溫進(jìn)程，將降溫過(guò)程控制在12 h之內(nèi)。相對(duì)于上部送入，流體側(cè)面送入方式下的溫度均勻度更好，溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低到上部送入時(shí)的40%。