低溫工況下高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱入口參數(shù)研究

李東生，陳清華，王建剛, ，王皖楠

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001； 2.廣東立佳實(shí)業(yè)有限公司，東莞 523000）

引言

高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱工作室溫度場的均勻性是環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要影響因素之一[1,2]。為研究高低溫環(huán)境設(shè)備工作室氣流組織對溫度均勻性的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。J.Sun等[3]研究了空氣幕對開放式垂直冷藏柜性能的影響。孟祥麟等[4]對一種新型冰箱內(nèi)部進(jìn)行溫度場分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出減少熱量損失的方法。趙秀紅等[5]對自行設(shè)計(jì)的多溫區(qū)恒溫箱進(jìn)行溫度場均勻性研究。Zhang Chaolei等[6]使用數(shù)值模擬方法，分析家用冰箱內(nèi)部突出結(jié)構(gòu)對氣流循環(huán)和傳熱的影響。曾憲順等[7]對間冷式酒柜進(jìn)行研究，結(jié)果表明增強(qiáng)空氣的湍流強(qiáng)度有利于提高溫度場均勻性。Wang Liming等[8]使用多孔階躍模型，并對自動開關(guān)機(jī)循環(huán)工況下冷飲柜工作室氣體流動和溫度變化進(jìn)行數(shù)值模擬。E.S?ylemez等[9]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定了混合型家用冰箱熱電制冷器安裝的最佳位置。白通通等[10]使用三維穩(wěn)態(tài)的SST k-ω湍流模型研究冷藏庫內(nèi)流場的分布特性及貨物的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)豎壁貼壁送風(fēng)可以獲得更均勻的溫度場和速度場。王志奇等[11]采用CFD數(shù)值模擬方法研究熱風(fēng)循環(huán)隧道烘箱內(nèi)部流場及溫度分布，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在現(xiàn)有的研究中，對于高低溫環(huán)境設(shè)備送風(fēng)角度和送風(fēng)速度對工作室溫度場均勻性影響的研究較少。以高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱為研究對象，建立工作室三維模型，對不同進(jìn)風(fēng)角度和進(jìn)風(fēng)速度下的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，為高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱送風(fēng)模式

高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱是通過氣流實(shí)現(xiàn)工作室內(nèi)熱量交換的試驗(yàn)設(shè)備，采用合理的送風(fēng)模式可以降低外界環(huán)境對工作室溫度場的干擾，增加溫度場的穩(wěn)定性，降低試驗(yàn)過程中的溫度波動。

常見高低溫環(huán)境設(shè)備的送風(fēng)模式分為豎直均勻送風(fēng)、水平均勻送風(fēng)和貼壁送風(fēng)三種。圖1（a）為豎直均勻送風(fēng)，氣流從工作室頂部進(jìn)入。這種送風(fēng)方式適用于長距離送風(fēng)，但是近壁面處的溫度均勻性難以保證，易受外界溫度條件的影響。圖1（b）為水平均勻送風(fēng)，與豎直均勻送風(fēng)具有相似的優(yōu)缺點(diǎn)，但在短距離送風(fēng)條件下氣流不易受到重力的影響。圖1（c）為貼壁送風(fēng)，氣流從工作室后方上部進(jìn)入并形成環(huán)流將工作區(qū)中心區(qū)域與換熱壁面隔開，可以降低換熱壁面對溫度場的影響。但在工作室體積較大時所需的進(jìn)風(fēng)速度較高，工作室流場處于大雷諾數(shù)的復(fù)雜湍流狀態(tài)，溫度場的穩(wěn)定性較差。

圖1 高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱送風(fēng)模式

為了盡可能提高環(huán)境試驗(yàn)箱工作室溫度場的均勻性，選擇貼壁送風(fēng)模式，氣流從工作室后方上部進(jìn)入工作室，從工作室后方下部流出?，F(xiàn)實(shí)條件下理想的貼壁循環(huán)流動很難形成，因此有必要對進(jìn)風(fēng)速度和進(jìn)風(fēng)角度進(jìn)行調(diào)整，以形成理想的貼壁循環(huán)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 基本假設(shè)

為了使工作室流場的數(shù)值計(jì)算能夠進(jìn)行，必須對所研究的物理問題進(jìn)行合理的簡化。本文對所研究的問題進(jìn)行以下假設(shè)[12]：①試驗(yàn)箱內(nèi)的循環(huán)氣流低速不可壓縮，流動形式為湍流；②循環(huán)氣流與壁面發(fā)生自然對流換熱；③試驗(yàn)箱內(nèi)流體符合Boussinesq假設(shè)；④流體與壁面間的輻射換熱忽略不計(jì)。

2.2 建立物理模型

高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)箱材料為SUS304，保溫材料為聚氨酯發(fā)泡板，試驗(yàn)箱內(nèi)部空間的尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，觀察窗尺寸為350 mm×500 mm，試驗(yàn)箱中部使用兩個多孔層板將空間分為上、中、下三層，使用背板頂部進(jìn)風(fēng)、底部回風(fēng)的送風(fēng)模式。

圖2 高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱工作室結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)學(xué)模型

貼壁循環(huán)的氣流組織形式有利于提高溫度場的均勻性，在貼壁送風(fēng)中，氣流沖擊到壁面會發(fā)生彎曲，可以使用RNG k-ε、SST k-ω模型對氣流的彎曲現(xiàn)象進(jìn)行修正，但是經(jīng)驗(yàn)表明SST k-ω模型的計(jì)算精度更高[13-14]。由于試驗(yàn)箱內(nèi)流體被視為低速不可壓縮流體，使用收斂速度較快的PISO算法、二階迎風(fēng)離散格式的分離式求解方式，其具體控制方程如下[15,16]：

1）連續(xù)性方程

式中：

ρ—空氣密度；

t—時間；

u—速度矢量。

2）動量守恒方程

式中：

p—靜壓力；

F—微元所受質(zhì)量力矢量；

μ—分子粘度；

I—單位張量。

3）能量守恒方程

式中：

T—溫度；

a—流體熱擴(kuò)散率；

ST—粘性耗散項(xiàng)。

4）湍流模型

式中：

μt—湍流粘度；

ω—比耗散率；

y—微元體與壁面間的距離。

5）湍動能方程

式中：

ui—某一方向速度；

Pk—湍動能發(fā)生項(xiàng)；

β*、σk—湍流模型系數(shù)。

6）多孔階躍模型

多孔階躍模型實(shí)際上是對多孔介質(zhì)模型的一維簡化，與整體多孔介質(zhì)模型相比多孔階躍模型更健壯，穩(wěn)定性和收斂性更好，多孔階躍模型的具體形式是達(dá)西定律和慣性損失項(xiàng)之和[17]。

式中：

φ—多孔介質(zhì)滲透率，m2；

v—介質(zhì)面的法向速度，m/s；

C2—壓降系數(shù)，1/m；

Δm—多孔介質(zhì)的厚度，m；

Dp—孔板的平均直徑，m；

η—多孔板的孔隙率。

2.4 邊界條件

試驗(yàn)箱入口溫度受到工作室溫度變化的影響，不是恒定的，將進(jìn)口溫度隨時間變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成公式，并編寫UDF函數(shù)。環(huán)境箱試驗(yàn)區(qū)后部區(qū)域與蒸發(fā)器僅通過一層304不銹鋼板隔開，近似認(rèn)為后壁面外環(huán)境溫度為蒸發(fā)器出口溫度。利用傳感器測量底部冷凝器的溫度并取平均值作為除后壁面外其他壁面外環(huán)境溫度。為了防止觀察窗玻璃在低溫下結(jié)霜，編寫UDF函數(shù)經(jīng)驗(yàn)性地選擇60 W的熱源在其周圍進(jìn)行加熱，試驗(yàn)箱內(nèi)部多孔隔板設(shè)置為多孔階躍邊界條件，內(nèi)部所有壁面均使用對流邊界條件，邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

貼壁循環(huán)的氣流循環(huán)形式避免了試驗(yàn)區(qū)中心與壁面發(fā)生直接的熱量交換，有利于試驗(yàn)區(qū)流場的均勻性。進(jìn)風(fēng)角度過大不利于形成理想的貼壁循環(huán)，所以本文只對30 °、20 °、10 °的進(jìn)風(fēng)角度進(jìn)行了研究。同時考慮到試驗(yàn)箱使用過程中風(fēng)速不應(yīng)過大，所以本文只研究了3 m/s、4 m/s、5 m/s的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速。在對應(yīng)進(jìn)口角度和進(jìn)口風(fēng)速條件下，分別分析Y=0.1 m，Y=0.5 m和Y=0.9 m截面的溫度云圖和整個工作室流場的流線圖。

圖3是進(jìn)風(fēng)角度30 °進(jìn)風(fēng)速度分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s的流線圖和溫度云圖。從溫度云圖可以看出，試驗(yàn)箱上部的溫度均勻性相對來說較差，觀察流線圖可以看出上部空間的流場存在由觀察窗處形成的回流，這部分回流將觀察窗處的熱量帶回上部空間，造成局部溫度明顯升高。對比三種風(fēng)速工況下各截面的溫度云圖，明顯可以看出隨著風(fēng)速的升高，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場的均勻性提高。

圖3 進(jìn)風(fēng)角度、進(jìn)風(fēng)速度流線圖及溫度云圖

圖4是進(jìn)風(fēng)角度為20 °，進(jìn)風(fēng)速度分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s時的流線圖和溫度云圖。對比分析三種速度工況下的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)速度的上升有利于試驗(yàn)箱制冷效果的提升，但對于溫度場均勻性的改善不明顯。從流線圖中可以觀察到，試驗(yàn)箱內(nèi)上部流線比較稀疏，中下部流線比較密集，這說明中下部區(qū)域?qū)α鲹Q熱更加充分，從溫度云圖中也可以看出中下部區(qū)域的溫度均勻性更好。

圖4 進(jìn)風(fēng)角度、進(jìn)風(fēng)速度流線圖及溫度云圖

圖5是在進(jìn)風(fēng)角度為10 °時，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s的流線圖和溫度云圖。對比三種風(fēng)速下的流線圖可以觀察到，三種進(jìn)風(fēng)風(fēng)速均可以形成較好的貼壁循環(huán)，氣流組織很好地將有效工作室包裹起來，降低了觀察窗玻璃四周恒功率熱源加熱的影響，試驗(yàn)區(qū)總體溫度均勻性較好。但是在進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時，下部空間溫度均勻性較差，觀察流線圖可以發(fā)現(xiàn)下部空間的流線較為稀疏，可以理解為下部空間的流速較低，對流換熱不充分。觀察試驗(yàn)箱中部溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)靠近兩側(cè)壁面處存在明顯的溫度較高區(qū)域，造成這個現(xiàn)象的原因是壁面處的保溫材料厚度不夠，造成熱負(fù)荷較高。

圖5 進(jìn)風(fēng)角度、進(jìn)風(fēng)速度流線圖及溫度云圖

綜合對比進(jìn)風(fēng)角度為30 °、20 °、10 °的工況下，不同的進(jìn)風(fēng)速度的流線圖及溫度云圖，發(fā)現(xiàn)在較高進(jìn)風(fēng)速度和較小進(jìn)風(fēng)角度下整體溫度場的均勻性更加理想，同時增加進(jìn)風(fēng)速度有利于制冷效果的提升。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，保證數(shù)值模擬結(jié)果對高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，本文對試驗(yàn)箱內(nèi)部空間溫度場進(jìn)行實(shí)測工作。

在試驗(yàn)箱工作室內(nèi)定出上中下三個水平測試面，簡稱上、中、下層。上層與工作室頂面的距離是工作室高度的1/10，中層通過工作室的幾何中心，參考國標(biāo)GB/T 10586-2006 《濕熱試驗(yàn)箱技術(shù)條件》溫度測點(diǎn)選擇9個[17]。測試點(diǎn)布置于三個測試面上，中心測試點(diǎn)位于工作室?guī)缀沃行?，其余測點(diǎn)到工作室壁的距離為各自邊長的1/10[18]，如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)布置示意圖

實(shí)驗(yàn)平臺搭建如圖7所示，溫度使用Keithley數(shù)字儀表進(jìn)行測量，使用手持式風(fēng)速儀測量風(fēng)速。將T型熱電偶參照圖布置到測試空間中，并對測點(diǎn)位置進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表2所示。另外在環(huán)境試驗(yàn)箱外部設(shè)置一個溫度傳感器T9用于監(jiān)測環(huán)境溫度。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺

表2 各測點(diǎn)位置坐標(biāo)

設(shè)置進(jìn)風(fēng)速度5 m/s，進(jìn)風(fēng)角度分別為10 °和30 °，實(shí)驗(yàn)溫度為-70 ℃，在工作室溫度穩(wěn)定之后，記錄30 min內(nèi)各測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，采樣周期為1 min。根據(jù)10個測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖8和圖9所示。試驗(yàn)箱中的溫度均勻度按照式（11）計(jì)算[18]：

圖8 進(jìn)風(fēng)角度10 °穩(wěn)定溫度趨勢

圖9 進(jìn)風(fēng)角度30 °穩(wěn)定溫度趨勢

式中：

ΔTu—溫度均勻度，℃；

Tjmax—各測量點(diǎn)在第j次測量中的實(shí)測最高溫度值，℃；

Tjmin—各測量點(diǎn)在第j次測量中的實(shí)測最低溫度值，℃。

根據(jù)式（11）分別計(jì)算數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的溫度均勻度，仿真結(jié)果表明進(jìn)風(fēng)角度為10 °時的溫度均勻性較進(jìn)風(fēng)角度為30 °時提升0.81 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明進(jìn)風(fēng)角度為10 °時的溫度均勻性較進(jìn)風(fēng)角度為30 °時提升0.98 ℃。

最后對進(jìn)風(fēng)角度30 °和10 °時的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者存在約為0.6 ℃的平均偏差，這是由于試驗(yàn)箱溫度調(diào)節(jié)的滯后性導(dǎo)致的。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，說明本文采用的數(shù)值模擬方法是可行的。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬分析了不同進(jìn)風(fēng)角度和進(jìn)風(fēng)風(fēng)速對試驗(yàn)箱工作室溫度場均勻性的影響，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得到如下結(jié)論：

1）較小的進(jìn)風(fēng)角度有利于形成貼壁循環(huán)，較大的進(jìn)風(fēng)速度可以使氣流組織在工作室前部的對流換熱更加充分，有利于提高試驗(yàn)箱工作室溫度均勻性。

2）環(huán)境試驗(yàn)箱兩側(cè)壁面處的熱負(fù)荷較高，造成溫度場的不均勻性增大，應(yīng)適當(dāng)增加保溫層厚度降低熱負(fù)荷。

3）通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對比，發(fā)現(xiàn)兩者存在一定差距，但是具有相同的趨勢，驗(yàn)證了本文采用的數(shù)值模擬方法的可行性，為高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。