海洋氣氛風(fēng)道模擬試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)數(shù)值分析與優(yōu)化研究

李鴻飛，向江濤，陳星昊,2，羅 丹,2，楊昊雨

(1.西南技術(shù)工程研究所， 重慶 400039； 2.海南萬(wàn)寧大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 海南 萬(wàn)寧 571522)

1 引言

在海洋大氣環(huán)境中，飛機(jī)、艦船上的電子產(chǎn)品容易發(fā)生故障，金屬部件易發(fā)生腐蝕?？紤]產(chǎn)生這些問(wèn)題的主要原因是海洋大氣環(huán)境中氯離子的含量較高?，F(xiàn)有鹽霧試驗(yàn)箱雖能完成金屬相關(guān)的鹽霧試驗(yàn)，但其產(chǎn)生的鹽霧為小顆粒水滴，對(duì)電子產(chǎn)品易造成過(guò)試驗(yàn)，無(wú)法模擬電子產(chǎn)品的試驗(yàn)環(huán)境。因此研制海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備，使鹽霧氣氛狀態(tài)更接近自然環(huán)境，從而解決電子產(chǎn)品的鹽霧試驗(yàn)具有重要的意義。對(duì)于同一批樣品而言，應(yīng)使海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)箱內(nèi)同一水平面上的鹽霧沉積率盡可能的接近，從而減小因鹽霧沉積率的不同而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)箱內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)分布對(duì)鹽霧沉積率具有較大的影響，風(fēng)速越大，鹽霧的沉積率越大。因此研制海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，仿真分析箱體內(nèi)部的風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)具有重要的意義。目前，一種主要的手段是采用ICEM-CFD和Fluent仿真軟件進(jìn)行流體仿真。因此本文中采用ICEM-CFD和Fluent仿真軟件針對(duì)設(shè)備原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)比分析了原始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)分布、中心水平面風(fēng)速范圍和試驗(yàn)箱體中心風(fēng)速。

2 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備模型

2.1 原始結(jié)構(gòu)三維模型

海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備針對(duì)不同鹽霧沉積率設(shè)計(jì)，可在一定可變溫度、溫度范圍內(nèi)開(kāi)展鹽霧氣氛試驗(yàn)，也可單獨(dú)開(kāi)展?jié)駸嵩囼?yàn)等。設(shè)備主要由底座、內(nèi)箱、外箱、后箱、控制箱和箱門組成，其整體長(zhǎng)約為1 800 mm、高約為2 180 mm、深約為2 640 mm，如圖1所示。

2.2 原始結(jié)構(gòu)仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

本文以海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱為原始研究對(duì)象，其原始結(jié)構(gòu)U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱內(nèi)部風(fēng)向流動(dòng)如圖2所示。因此根據(jù)海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備風(fēng)機(jī)位置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化后的仿真結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備原始內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備原始仿真結(jié)構(gòu)

3 原始模型風(fēng)場(chǎng)仿真分析

3.1 模型假設(shè)

建立U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱數(shù)學(xué)模型，在模擬過(guò)程中對(duì)模型采用以下簡(jiǎn)化假設(shè)：

1) U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱內(nèi)的氣氛為不可壓縮氣體并且滿足Boussinesq假設(shè)[1]；

2) 忽略壁面間的熱輻射作用，假定溫度變化對(duì)氣氛物性參數(shù)無(wú)影響，設(shè)定各物性參數(shù)為常數(shù)[2]；

3) 不考慮氣氛模擬過(guò)程中水蒸發(fā)等傳質(zhì)因素影響[3]；

4) U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱密閉性良好。

根據(jù)假設(shè)(1)—(4)，考慮氣氛在U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱內(nèi)部循環(huán)為復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，因此選擇紊流模型求解。由于模型計(jì)算收斂性較高，精確性符合工程要求，因此在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。采用較為成熟的SIMPLE算法對(duì)U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱內(nèi)循環(huán)風(fēng)場(chǎng)分布特性進(jìn)行仿真計(jì)算[1-5]。采用有限體積法控制方程中的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒等。

質(zhì)量守恒方程為：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

x方向：

(2)

y方向：

(3)

z方向：

(4)

能量守恒方程：

(5)

其中：μ為動(dòng)力黏度，N·s/m2；u、υ和ω分別為速度矢量在x、y、z上的分量；Cp為比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度；K為流體的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備仿真結(jié)構(gòu)尺寸和風(fēng)機(jī)位置，利用ANSYS中的ICEM CFD構(gòu)建仿真模型的內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型，建立風(fēng)機(jī)、內(nèi)壁、外壁的PART。外矩形命名為WALLOUT，風(fēng)機(jī)命名為FAN1和FAN2，其余命名為WALLIN，如圖4所示。根據(jù)內(nèi)流場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)，主要為矩形和45°斜線，因此考慮采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將仿真模型劃分成三角形和矩形，再將三角形進(jìn)行Y型剖分，并將對(duì)應(yīng)的邊線進(jìn)行關(guān)聯(lián)[6-8]。通過(guò)Edge Params命令對(duì)Y型剖分等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)節(jié)，生成網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)異，其網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備仿真PART

3.3 邊界條件及參數(shù)

在ANSYS Fluent軟件中導(dǎo)入模型網(wǎng)格，利用Check和Report Quality對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查后，設(shè)置重力為Y軸負(fù)向，大小為9.81 m2/s且仿真為基于壓力的穩(wěn)態(tài)計(jì)算[9-11]。

本文求解的對(duì)象是密閉U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)循環(huán)，采用湍流模型進(jìn)行仿真分析，因此打開(kāi)能量方程并選擇湍流k-ε模型。風(fēng)機(jī)處設(shè)置邊界條件為fan,設(shè)置壓差為100 Pa，并根據(jù)風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)設(shè)置其方向。此仿真的目的主要是為了模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)布，不考慮加熱加濕等的調(diào)節(jié)。風(fēng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程與U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱壁無(wú)摩擦溫升，因此其余壁面設(shè)置為wall，且溫度均設(shè)置為300 K。仿真殘差均設(shè)置為10-6，仿真步數(shù)設(shè)置為5 000[12-15]。

3.4 原始結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，利用CFD-Post軟件獲得原始結(jié)構(gòu)速度云、速度流線如圖6、圖7所示。根據(jù)海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備仿真速度云圖測(cè)量其試驗(yàn)箱中心處風(fēng)速為0.24 m/s，速度較低。對(duì)于同種試驗(yàn)樣品的試驗(yàn)，希望在同一水平面上風(fēng)速相差不大，從而減小速度差異對(duì)鹽霧氣氛沉積率的影響，而從圖6、圖7中可以看出，在試驗(yàn)箱同一水平面上速度相差較大。因此需要提高試驗(yàn)箱體內(nèi)中心風(fēng)速和同一水平面的風(fēng)速均勻性。

圖6 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備速度云圖

圖7 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備速度流線

3.5 送風(fēng)方式優(yōu)化

根據(jù)原始結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，考慮將出風(fēng)水平吹出，并在試驗(yàn)箱體內(nèi)上部添加引流部件。將引流部件安裝在與右側(cè)風(fēng)機(jī)最低處。兩處風(fēng)機(jī)出口高度均設(shè)計(jì)為110 mm，在引流板上設(shè)置許多的孔，孔的寬度為15 mm，每相隔25 mm設(shè)計(jì)1個(gè)孔。每300 mm設(shè)計(jì)1個(gè)引風(fēng)板，靠近風(fēng)口的引風(fēng)板最低，后面依次增高，其高度依次為30、40、50 mm，如圖8所示。

圖8 引流部件模型

4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仿真分析

4.1 建立優(yōu)化后三維網(wǎng)格

基于設(shè)計(jì)引流部件結(jié)構(gòu)和安裝位置，建立海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備三維流場(chǎng)仿真模型，如圖9所示。根據(jù)實(shí)際情況建立相應(yīng)的PART，主要包括：FAN1、FAN2、WALLIN、WALLOUT、WALLPARALLEL?？紤]此結(jié)構(gòu)主要為長(zhǎng)方體、槽圓孔和斜面，因此采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，斜面處采用Y型剖分，其塊劃分結(jié)果如圖10所示。利用Blocking下的Pre-mesh命令，總共生成 1 859 944個(gè)結(jié)點(diǎn)和 1 804 563個(gè)六面體網(wǎng)格，其網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖9 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備三維仿真模型

圖10 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備Blocking劃分

4.2 邊界條件及參數(shù)

三維仿真模型的FAN1、FAN2、WALLIN、WALLOUT的設(shè)置條件和二維一樣，WALLPARALLEL和WALLIN設(shè)置條件一樣,導(dǎo)入后內(nèi)部模型如圖11所示。因?yàn)槿S仿真更加復(fù)雜，耗時(shí)更長(zhǎng)，因此使用默認(rèn)殘差，步數(shù)設(shè)置為8 000。

圖11 Fluent引流板三維內(nèi)部模型

4.3 仿真結(jié)果分析

利用CFD-Post得出設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的仿真速度云圖、速度流線如圖12、圖13所示。從圖12、圖13測(cè)量可以得出，其中心風(fēng)速為1.545 5 m/s，其同一水平面的風(fēng)速差異相對(duì)較小，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖12 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備三維仿真速度云

圖13 海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備三維仿真速度流線

4.4 原始與優(yōu)化后結(jié)果對(duì)比分析

在海洋氣氛模擬試驗(yàn)設(shè)備原始模型風(fēng)場(chǎng)仿真速度云圖的試驗(yàn)箱中心位置作一條水平線如圖14所示。

圖14 原始模型仿真中心水平線速度

同理在優(yōu)化后的仿真結(jié)果速度云圖上也作一條水平線。將線上的點(diǎn)導(dǎo)出，并利用Matlab繪制中心水平風(fēng)速曲線，原始結(jié)構(gòu)風(fēng)速區(qū)間為(0.16～9.18)m/s,中心風(fēng)速為0.608 8 m/s；優(yōu)化后風(fēng)速區(qū)間為(0.34～2.14)m/s，中心風(fēng)速為 1.545 5 m/s，如圖16所示。由圖16可以看出，當(dāng)壓差為100 Pa時(shí)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效的提高了同一水平面的風(fēng)場(chǎng)均勻性，同時(shí)明顯的提高了中心風(fēng)速。因此此種方法能夠滿足設(shè)計(jì)的基本需求，有效的改善了風(fēng)場(chǎng)的分布，提高了鹽霧氣氛沉降均勻性。

圖15 優(yōu)化后模型仿真中心水平線速度

圖16 設(shè)備原始與優(yōu)化后仿真中心水平線速度比較曲線

5 結(jié)論

本文以海洋氣氛風(fēng)道模擬試驗(yàn)設(shè)備為研究對(duì)象，利用ICEM-CFD和Fluent仿真軟件對(duì)其原始和優(yōu)化后的U型風(fēng)道和試驗(yàn)箱分別進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)仿真分析。當(dāng)壓差為100 Pa時(shí)，原始結(jié)構(gòu)風(fēng)速區(qū)間為(0.16～9.18)m/s,中心風(fēng)速0.608 8 m/s；優(yōu)化后風(fēng)速區(qū)間為(0.34～2.14)m/s，中心風(fēng)速為1.545 5 m/s。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效的提高了試驗(yàn)箱同一水平面的風(fēng)場(chǎng)均勻性和中心風(fēng)速。因此此種方法能夠滿足設(shè)計(jì)的基本需求，有效的改善了風(fēng)場(chǎng)的分布，提高了鹽霧氣氛沉降均勻性。