耦合傳熱下低溫試驗艙溫度場和速度場分析

王志強，黃毅波，陳紅偉

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海，519070）

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和科學技術(shù)的進步，對產(chǎn)品和設(shè)備性能的要求不斷提高，相關(guān)行業(yè)如軍工、航天等對營造低溫環(huán)境的需求日益增加［1-3］。低溫試驗艙可以模擬出設(shè)備或產(chǎn)品所處真空或非真空狀態(tài)下的低溫環(huán)境，驗證設(shè)備或產(chǎn)品設(shè)計的合理性，發(fā)現(xiàn)其材料、制造工藝的潛在缺陷，減少或避免故障與失效，達到延長工作壽命、提高工作可靠性的目的。

低溫試驗艙內(nèi)部為低溫環(huán)境，通過試驗艙壁和保溫層與外部環(huán)境隔離，外部環(huán)境溫度對試驗艙內(nèi)部影響程度取決于保溫層的性能和厚度。由于低溫試驗艙的數(shù)值模擬涉及流體流動、流體和固體傳熱等技術(shù)領(lǐng)域，因此文中采用耦合傳熱計算方法［4-7］，同時考慮了試驗艙的流體流動與傳熱，研究試驗艙內(nèi)部溫度變化的實際情況，以及試驗艙結(jié)構(gòu)對流場和傳熱過程的影響，有利于評估試驗艙的綜合性能。

依據(jù)企業(yè)的技術(shù)要求，在設(shè)計穩(wěn)態(tài)工況下，常壓艙室內(nèi)試驗段的溫度要分布均勻，試驗區(qū)任意兩點的溫度差不大于±3℃。為實現(xiàn)上述技術(shù)指標，設(shè)計了相應的艙體和熱沉，并在艙體內(nèi)部布置軸流風扇，艙體外壁布置保溫層。為驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性，對系統(tǒng)進行整體耦合計算，將固體和氣體作為一個整體，在計算中互為邊界進行迭代運算，從而得到系統(tǒng)的速度場和溫度場分布。分析結(jié)果可為低溫試驗艙結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)、提高溫度均勻性提供參考。

1 低溫試驗艙結(jié)構(gòu)

低溫試驗艙采用圓柱形結(jié)構(gòu)，殼體材料采用316L不銹鋼。一端封頭與筒體采用焊接聯(lián)接，另一端封頭端面與筒體端面采用O型圈密封，通過手動夾緊機構(gòu)實現(xiàn)端面密封圈的壓緊，如圖1所示。

圖1 低溫試驗艙結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型建立

為簡化計算，將低溫試驗艙簡化為軸對稱模型，并在試驗艙外壁包覆保溫層。其中，物理模型構(gòu)建通過autocad軟件建立，忽略了結(jié)構(gòu)中對流場無影響的結(jié)構(gòu)，其它如計算流體域網(wǎng)格以及計算固體域網(wǎng)格、邊界條件設(shè)置以及方程求解均在CFD軟件中完成［8，9］。低溫試驗艙筒體結(jié)構(gòu)長度2000mm，內(nèi)徑1000 mm，壁厚10mm，封頭內(nèi)曲面深度250mm。熱沉簡化為厚度32 mm的圓筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑418mm。試驗艙在穩(wěn)定工況下，要求艙體試驗區(qū)的溫度均勻性保持在±3℃以內(nèi)。試驗區(qū)為試驗艙中部1000 mm×Φ700mm的圓柱形空間。低溫試驗艙軸對稱模型如圖2所示。

圖2 低溫試驗艙軸對稱模型

2.2 有限元模型

將物理模型進行網(wǎng)格劃分，氣體和固體、固體和固體邊界處采用共節(jié)點連接，對相界面處的網(wǎng)格進行加密處理［10，11］，網(wǎng)格劃分如圖3所示。熱沉表面溫度為-100 ℃；保溫層厚度為80mm橡塑保溫，導熱系數(shù)為0.034 W/(m.K)，密度50 kg/m3，恒壓熱容796 J/(kg.K)；軸流風機出風靜壓100 Pa；環(huán)境溫度為20 ℃。

圖3 低溫試驗艙有限元模型

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗艙整體溫度場和速度場分析

試驗艙內(nèi)氣體由軸流風機驅(qū)動，從試驗艙一端流向另一端，并從熱沉與筒體壁間隙流動至軸流風機入口。試驗艙體內(nèi)氣體速度場分布如圖4所示。由圖可見：氣流在熱沉內(nèi)部空間流速較低，在熱沉外壁與試驗艙內(nèi)壁之間流體流速較高，并在軸流風機位置附近出現(xiàn)了回流漩渦，這是由軸流風機和試驗艙的尺寸和相對位置決定。

圖4 低溫試驗艙速度場

在軸流風機入口附近的氣體在封頭內(nèi)壁處匯合，氣體流速較低。軸流風機工作時，在入口處形成低壓區(qū)，氣體在壓差作用下，加速流向軸流風機入口，流速快速增大至0.08m/s；經(jīng)風機驅(qū)動的氣體從風機出口沿試驗艙軸線運動時，由于氣體粘滯力的作用以及壓力的升高，氣體流速快速減小至0.01m/s，然后趨于平緩流動，在氣流接近封頭內(nèi)壁處，由于封頭內(nèi)壁的阻礙，氣體流速再次減小。沿試驗艙軸線的氣體流動速度分布如圖5所示。

圖5 低溫試驗艙軸線速度場分布

試驗艙體內(nèi)氣體在軸流風機的驅(qū)動下流過熱沉表面冷卻，同時被外界環(huán)境通過保溫層加熱，溫度場分布較為復雜。試驗艙體內(nèi)氣體溫度場分布如圖6所示。由圖可見：保溫層內(nèi)溫度梯度較大，由環(huán)境溫度迅速降低，并接近至試驗艙體內(nèi)氣體的溫度?？拷擉w內(nèi)壁的氣體被加熱，并在軸流風機的作用下在艙體內(nèi)運動，對艙體內(nèi)部溫度場均勻性產(chǎn)生影響。

圖6 低溫試驗艙溫度場

沿試驗艙軸線運動的氣體溫度分布如圖7所示，試驗艙內(nèi)部氣體在靠近艙壁處被加熱，溫度較高，達到197℃；靠近軸流風扇入口時，與循環(huán)流動的低溫氣體混合，溫度逐漸降低。進入熱沉包圍區(qū)域后，受熱沉低溫的影響，溫度進一步降低，最低溫度為184.8℃。離開熱沉包圍區(qū)域后，受外部環(huán)境影響逐漸明顯，氣體溫度逐漸升高，在封頭內(nèi)壁處氣體溫度達到峰值193.6 ℃，略低于另一端封頭內(nèi)壁處氣體溫度，這是因為氣體流經(jīng)熱沉包圍區(qū)域后，被熱沉冷卻的結(jié)果。

圖7 低溫試驗艙軸線溫度場分布

3.2 試驗艙試驗區(qū)溫度場和速度場分析

由試驗艙整體速度場和溫度場分析可知，在試驗艙中部由熱沉包圍區(qū)域的溫度場和速度場變化較為平緩，理想的試驗區(qū)氣流速度場和溫度場應盡量保持均勻分布，本文中的試驗區(qū)即據(jù)此設(shè)置。試驗區(qū)速度場分布如圖8所示。試驗區(qū)軸線上氣體速度經(jīng)由軸流風機驅(qū)動后向下游流動，在氣體粘滯力作用下，氣體速度先下降后趨于平緩，速度值由0.013m/s降至0.008m/s。試驗區(qū)軸向外邊界上氣體在進入試驗區(qū)時，氣流尚未充分發(fā)展，在軸線附近較高速氣流帶動下，氣體速度逐漸上升后趨于平緩，速度值由0.005m/s升至0.008 m/s左右。

圖8 試驗區(qū)速度場分布

試驗區(qū)軸向溫度場分布如圖9所示。試驗區(qū)軸線上氣體溫度和試驗區(qū)軸向外邊界上氣體溫度變化趨勢一致，沿氣體流動方向溫度逐漸降低。其中，試驗區(qū)軸線上氣體溫度由187.4 ℃降至185℃，其原因為靠近軸線的氣體與周圍冷空氣換熱，溫度被進一步降低；試驗區(qū)軸向外邊界上氣體由于距離熱沉表面較近，其溫度較低，在向氣體流動的下游運動過程中不斷被熱沉冷卻，溫度不斷下降。在試驗區(qū)范圍內(nèi)，其溫度由186.6℃降低至184℃。由上述分析可知，試驗區(qū)軸向溫度均勻性滿足要求。

圖9 試驗區(qū)軸向溫度場分布

由試驗區(qū)軸線上氣體溫度和試驗區(qū)軸向外邊界上氣體溫度的分析，試驗艙試驗區(qū)橫截面上存在溫差。圖10為試驗艙試驗區(qū)中部橫截面上的溫度分布。由圖可知，從中心軸線到熱沉表面的徑向路徑上，氣體溫度緩慢降低，在接近熱沉冷表面時，溫度值迅速減小，溫度梯度較大，試驗區(qū)截面的溫度由186℃至185.1℃，徑向溫度均勻性滿足要求。

圖10 低溫試驗艙中部徑向溫度場分布

4 結(jié)論

本文針對某低溫試驗艙的設(shè)計，通過數(shù)值模擬手段分析了試驗艙結(jié)構(gòu)設(shè)計對試驗艙內(nèi)部溫度場和速度場的影響，給出了試驗艙整體和試驗區(qū)的溫度場和速度場分布。研究結(jié)果表明，試驗艙結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)要求。

低溫試驗艙設(shè)計涉及很多專業(yè)領(lǐng)域，采用耦合傳熱技術(shù)能夠?qū)Χ鄥?shù)變量進行模擬分析，較為方便地對設(shè)計方案進行前期評估，極大地提高了設(shè)計效率。上述研究思路可為相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。