環境實驗室溫度均勻性的數值分析研究

馬建軍，孫俠生，李喜明

（中國飛機強度研究，西安 710065）

飛機結構及機構環境條件下功能性和耐久性實驗室是用來模擬飛機結構及機構、設備等在高、低溫，濕熱等環境條件下的環境適應性。實驗室可實現-70～150℃的極端環境溫度，工作區內的溫度是否均勻直接關系到實驗結果的可靠性及合理性，同時工作區內的風速不能超過1.7 m/s的限制［1］。在建造之前，須對實驗室氣流組織及溫度均勻性進行詳細設計［2］。文中利用CFD方法數值模擬靜態空載工況下，不同的送風溫差、送風速度及不同保溫層厚度下的氣流組織，并分析其對應溫度場的均勻性，為實驗室設計提供參考。

1 計算模型

1.1 模型建立

某飛機結構及機構環境條件下功能性和耐久性實驗室的結構如圖1所示，環境實驗室內部尺寸為長L=1.69 m，寬W=3.5 m，高H=4.0 m，可實現的溫度范圍為-70～150℃，溫度不均勻度≤2℃。空氣處理單元置于室內，其內有蒸發器、除濕器、加熱器等，處理過的空氣經4個送風口豎起向上送出，每個送風口有效尺寸為0.3 m×0.17 m。送風口上部設有導流板，以引導送風射流在頂部形成帖附，空氣處理單元底部有三個回風口。

圖1 環境實驗室結構Fig.1 Sketch of climatic test chamber

靜態空載工況下影響室內溫度分布的熱負荷主要為溫差引起的透過保溫板的傳熱Q，保溫板分3層，內外層均為304不銹鋼板，中層為聚胺脂泡沫，Q按式（1）計算［3］。

式中：A為實驗室內部的表面積，A=115.7 m2；△t為室內外溫差，室外溫度取為20℃，室內為-70℃時，△t＝90℃，室內為150℃時，△t＝130℃；k為保溫板的等效傳熱系數，。

其中h1為保溫板外表面傳熱系數，取h1=2 W/（m2·K）；δ1為不銹鋼板總厚度，δ1=3 mm；λ1為不銹鋼板導熱系數，λ1=16.2 W/（m·K）；δ2為聚胺脂板厚度；λ2為聚胺脂板導熱系數，λ2=0.035 W/（m·K）；h2為保溫板內表面傳熱系數，取h2=5 W/（m2·K）。

循環風量按式（2）計算。

式中：ρ為設計溫度下的空氣密度，-70℃時，ρ=1.6451 kg/m3，150 ℃時，ρ=0.7898 kg/m3；cp為空氣的定壓比熱，取cp=1004 kJ/（kg·K）；△Ts為送風溫度與設計溫度的s差值，℃。

取不同的保溫層厚度和不同的溫差，開啟數量不同的送風口進行計算分析，計算工況見表1。

表1 計算工況Table 1 Calculation conditions

表中δ=δ1+δ2，其中δ1為不銹鋼板總厚度，δ1=3 mm，δ2為聚胺脂板厚度。

1.2 控制方程和數值解法

室內空氣流動受自然對流和強迫對流作用的共同作用，為湍流流動，采用廣泛使用的RNG，k-ε兩方程湍流模型來模擬環境實驗室內的空氣流動［4］。另外針對室內空氣流動，還發展了室內零方程模型，不過其適應性待更多的驗證［5］。為了簡化問題，引入以下假設。

1）室內空氣為不可壓縮流，空氣物性為常數，由于室內壁面溫度相差不大，不考慮輻射的影響；

2）流動為穩態湍流；

3）考慮重力的影響，空氣密度采用不可壓縮理想氣體模型；

4）不考粘性力作用引起的能量耗散；

5）實驗室密封良好，不考慮空氣泄漏的問題。

根據以上假設，室內流體應滿足湍流連續方程、動量方程、能量方程，其通用表達式為:

式中：φ為通用變量，φ=［1uvw kεT］為速度矢量；Γeff為廣義擴散系數，由湍流模型決定；S為源項。

在近壁面區域，引入壁面函數，近壁面區域第1層網格對傳熱影響很大［6-7］，應保證30＜y+＜300［8］，對于房間的氣流組織模擬，第1層網格高度可取為0.05 ～0.1 m［9］。

計算軟件采用ANSYS FLUENT 13.0，壓力耦合采用SIMPLE算法，各方程離散除壓力外均采用二階迎風格式。

1.3 邊界條件設置

送風口采用基本風口模型［10］，簡化為與風口有效面積相同的矩形開口，湍流動能及耗散率按式（4）計算［11］：

式中：k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m2/s3。

趙彬指出，入流的湍流參數對送風射流的發展及室內氣流組織影響并不顯著［12］，文中設定入口湍流度I=10%，水力直徑L=0.127 m。

回風口采用壓力出口邊界條件，表壓為0；空氣處理單元與空氣換熱量不大，設為絕熱壁面；導流板按絕熱壁面處理；壁面設為對流傳熱壁面，外部對流傳熱系數取為2 W/m2k，外部溫度取為20℃；z方向重力加速度為-9.8 m/s2。

2 評價標準

2.1 速度限制

低溫實驗標準（GJB 150.4A）規定：除裝備的平臺環境已經證明使用其它速度是合理的，并且要防止在試件中產生與實際不符的熱傳遞外，試件附近的風速不應超過1.7 m/s。

2.2 溫度不均勻度和溫度不均勻性系數

根據GB/T 5170.5-2008《電工電子產品環境實驗設備檢驗方法濕熱實驗設備》［13］選取15個測點，按式（5）計算溫度不均勻度。

式中：△Tu為溫度不均勻度，℃；Tmax為測點的最高溫度值，℃；Tmin為測點的最低溫度值，℃。

溫度不均勻度表征了工作區溫度的最大差值，另外引入溫度不均勻性系數kT，表征室內溫度與平均溫度的偏離程度。

式中：N為測點數，N=15；Ti為測點溫度為測點的平均溫度；σT為溫度的均方根差。

2.3 能量利用系數

能量利用系數反映了能量利用和室內溫度分層情況，其定義為：

式中：TP為排風溫度；T0為送風溫度為工作區設計溫度。

制冷工況下，送風經過熱交換后應有TP＞Tn，η＞1。當η＜1時，表明送風沒有充分經過熱交換就被排出室外，投入的能量沒有完全利用，氣流短路，經濟性差。

3 結果分析

各個計算工況下的室內平均速度如圖2所示，總體上與送風溫差呈反比關系，這是因為式（2）計算出來的送風量與送風溫差呈反比關系。150℃工況下，空氣密度變小，熱負荷增大，導致循風量加大，相同送風溫差下室內平均速度明顯高于-70℃工況。保溫層為100 mm時，熱負荷較大，不能使用小溫差送風，否則導致室內平均風速超過限制。只開啟2個送風口送風時，送風量保持不變，單個送風口送風速度提高1倍；但室內平均速度并沒有提高1倍，僅僅是略有增加。

圖2 室內平均風速Fig.2 Average air velocity in the chamber

各個計算工況的溫度不均勻度如圖3所示，總體上溫度不均勻度與送風溫差呈線性關系，例外的是：-70℃，δ=100 mm，△Ts=4℃時的溫度不均勻度反而比△Ts=3℃和△Ts=5℃時要小。從圖4的流線圖中可以看出，此時室內流場在浮力作用下呈現出強烈的三維特性，在x-z平面形成了一個渦，空氣混合更加充分，溫度均勻性反而較好。

只開啟2個送風口送風時，由于送風速度提高，-70℃工況下避免了因大溫差（△Ts＞4℃）空氣射流過早而從頂棚脫離，溫度不均勻度明顯改善；150℃工況也有明顯改善，但不如-70℃工況下幅度大。150℃，δ=300 mm，△Ts=5℃，β=4時溫度不均勻度明顯躍升，此時由于送風速度過小，溫度分層嚴重。

圖3 溫度不均勻度Fig.3 Temperature non-uniformity

圖4 -70℃，δ=100 mm，△Ts=4℃時的流線圖Fig.4 Streamlines for-70℃，δ=100 mm，△Ts=4℃

溫度均勻性系數與溫差的關系如圖5所示，其走勢與圖3溫度不均勻度基本一致。保溫層較厚時，-70℃工況下溫度均勻性系數隨著送風溫差急劇增大。這是因為熱負荷的減小導致相同送風溫差下送風速度減小，浮力影響更加顯著，使空氣射流過早脫離頂棚，減弱了空氣混合。

各個計算工況的能量利用系數η如圖6所示，150℃時能量利用系數均大于1，能量得到了有效利用。這是其側上送風的氣流組織形式決定的，但η越大說明溫度分層越嚴重。-70℃，隨著送風溫差的增大，出現了η＜1的情況，此時氣流短路，溫度分層且均勻性變差，保溫層為300 mm時最明顯。從節能的角度講，保溫層越厚越好，但是保溫層越厚成本也越高，其蓄熱也越嚴重，影響溫度的動態模擬，必須綜合分析［14-15］。

圖5 溫度不均勻性系數Fig.5 Coefficient of temperature non-uniformity

圖6 能量利用系數Fig.6 Coefficient of supply energy

4 結論

通過以上計算分析可以得出以下結論。

1）送風溫差對環境實驗室的溫度均勻性有較大影響，溫差越大所需要循環風量越小，浮力的作用越明顯，溫度分布越不均勻。溫差過小將導致所需要循環風量加大，增加風機功率，甚至導致室內風速超過限制。

2）保溫層厚度越厚，熱負荷越小，同等溫差下所需要循環風量也越小，但是溫差過大時由于速度較小，溫度均勻性反而比采用較薄的保溫層時更差，保溫層較厚時應該避免采用較大的送風溫差。

3）如果確實需要送風溫差較大，可通過減少送風口數量或風口大小，提高單個送風口的送風速度來保證工作區內溫度的均勻度。

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