保護器測試系統恒溫箱的CFD研究與實驗驗證

沈　希，張　舒，徐　鳴，黃躍進，顧江萍

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

保護器測試系統恒溫箱的CFD研究與實驗驗證

沈希，張舒，徐鳴，黃躍進，顧江萍

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：為了測試壓縮機保護器在特定溫度的運行情況，需要對溫度進行必要的控制.針對保護器溫度特性檢測系統中的恒溫箱均勻度差的問題，建立了恒溫箱流體域CFD數值模型，得到了恒溫箱的溫度場、速度場模型.恒溫箱內5個測溫點溫度數據與模擬數據基本吻合，驗證了該數值模型的正確性.分析結果表明：送風溫差適當的降低有利于溫度均勻性的改善，同時送風速度及恒溫箱結構也對恒溫箱均勻度有很大的影響.

關鍵詞：恒溫箱；溫度場；均勻度；數值模擬

CFD modelling and experimental verification on thermostat

of protector testing system

SHEN Xi, ZHANG Shu, XU Ming, HUANG Yuejin, GU Jiangping

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:In order to test the operating conditions of the compressor protector under specific temperature protection， necessary control of the temperature is needed. Aiming at problem of average degree of the temperature characteristic test system of protector，the CFD numerical model of thermostat is established to get temperature field and velocity field .Using Delphi for upper machine, data collected from five points on the test surface matched the simulated data. It verifies the correctness of the numerical model. Analysis results show that appropriate reducing of supply air temperature is conducive to the improvement of average degree and the supply air’s velocity and the structure of thermostat also have great influence on incubator evenness.

Keywords:thermostat; temperature field; average degree; numerically simulation

目前，大部分壓縮機選配的熱保護器都是圓盤型過熱過流保護裝置.此結構中的電觸點，利用碟片的動作控制電路通道.保護器串聯到一個單相電動機公共端子，電流流過保護器的發熱絲和雙金屬片產生了熱量.雙金屬片的溫度既受電機繞組電流的影響也受壓縮機殼體溫度的影響，保護器兼有過熱和過流的保護功能.因為保護器的溫度特性關乎制冷設備的安全性，所以動作溫度和恢復溫度便成了極其重要的參數[1].在恒溫箱的溫度測試系統設計上，已有很多成果.高峰以提高溫度控制的精度，減小溫度控制的過渡過程時間，降低測控系統的硬件成本為目標，進行了優化設計[2]，張雷杰等通過CFD軟件對恒溫箱內的兩種氣流組織進行了模擬和實驗驗證[3]，周曉設計出了無線傳感網絡用于采集溫度并上傳[4].在數值模擬方面，張建勝采用了帶旋流修正的RealizableK—ε湍流模型對風壓進行了分析[5]，童躍平等對離心泵的內部流場流動情況進行了兩種模型的對比分析[6].

在以往的溫度測試中，我們主要關注的是測試過程和測試結果是否滿足規范要求，對于影響測試結果的溫度均勻度等因素往往有些忽視[7].因此，筆者以一臺保護器測試裝置的恒溫箱作為研究對象，采用fluent6.3軟件，建立恒溫箱流場三維參數化實體模型，對恒溫箱的溫度場與速度場進行了分析，對數值模擬的結果與實驗進行驗證.

1恒溫箱流場數值模型研究

1.1基本控制方程

假設流體為不可壓縮的牛頓型流體且考慮常物性和宏觀熱能守恒的，恒溫箱內流體的流動和傳熱必須滿足下面3個方程和Boussinesq模型[8-9].

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程(運動方程)為

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程為

(5)

Boussinesq模型為

(ρ-ρ0)g≈-ρ0β(T-T0)g

(6)

式中：u，v，w分別為流體在x，y，z三個方向上的速度分量；ρ為流體密度；μ為動力粘度；Su，Sv，Sw分別為動量守恒方程的廣義源項；T為流體溫度；λ為流體的導熱系數；CP為比熱容；ST為流體的內熱源及粘性作用流體機械能轉化為熱能的部分，簡稱粘性耗散項；ρ0為流體的常密度；T0為操作溫度；β為熱膨脹系數.

1.2計算模型

對于模型的建立先參考實際的恒溫箱畫出模型如圖1所示，再導入到前處理軟件gambit中，采用非結構化的三角形網格,如圖2所示.建模所采用的恒溫箱的具體尺寸由于篇幅太長不再贅述，計算工況如表1所示.

圖1　恒溫箱模型圖Fig.1　Modle of thermostat

圖2　恒溫箱網格圖Fig.2　Grid of thermostat

名稱參數名稱參數流體空氣熱膨脹系數0.0187墻壁鋼鐵重力加速度/(m·s-2)9.81初始溫度/℃45比熱容/(J·kg-1·℃-1)1012葉輪轉速/(rad·s-1)293加熱管功率/(kW·m-3)769

1.3模型計算與邊界條件的簡化

由于恒溫箱尺寸跨度比較大，離心葉輪的結構相對復雜，所以在物理量基本準確的前提下，模型的建立可進行如下簡化假設：1) 忽略上下孔板結構；2) 忽略離心葉輪的扇葉的具體尺寸；3) 假設流體流動和傳熱過程是均一、穩定的；4) 流體為牛頓流體、不可壓縮、各向同性且連續[10]；5) 不考慮箱體壁厚；6) 只考慮加熱情況，不考慮制冷情況.

計算邊界條件的簡化：1) 由于模型中的流到屬于靜網格，扇葉屬于動網格，所以在考慮采用MRF多重參考系統進行耦合(Multi-reference.Frame)；2) 空氣出口采用出流(outflow)；3) 加熱管加熱采用共軛傳熱，加熱管區域設置為熱源.

本模型屬于K—ε湍流，計算中選用模型進行湍流模擬.求解的條件用非耦合求解、隱式算法、三維空間、非定常流動與絕對速度；控制方程的離散采用一階迎風式，速度與壓力的耦合采用SIMPLE算法，其他保持默認設置[11-12].

2計算結果與分析

圖3是計算260 s后恒溫箱Y=0 m中截面等速度分布圖，從圖3中可以看出：在恒溫腔體的左側存在著渦流區域，這是由于腔體左側聚集了能量較低的流體，而腔體流道中存在逆壓梯度，這樣在左側就產生了氣體的回流.就因為這樣渦流區域的存在，影響了氣流向左側的移動，從而對恒溫箱內氣流溫度與速度分布的均勻性產生影響.

圖3　Y=0 m等速度分布圖Fig.3　The Velocity profile of Y=0 m

圖4是Z=0 m的中截面速度矢量圖，由圖4可以看出：葉輪流場的矢量圖明顯為非對稱，盡管恒溫箱總體在結構上有對稱性，但在圖4下方正方形缺口處存在一個需要給觸點接線的金屬板結構，該結構破壞了恒溫箱整體的對此性.在靠近金屬板的一側產生了速度較大的射流，這使得氣流在循環過程剛開始出現了不對稱.從上面的分析可以預見，要想優化恒溫箱溫度均勻性，可以將觸點板移至外部，從而改變氣流組織條件.

圖5是測試平面的溫度圖，由仿真結果可以看出：溫度右邊的要明顯大于左邊，且根據多組數據觀測，右下角與中間區域位置的溫度最高.產生這樣的原因就是因為氣流從頂部回到葉輪進氣口過程中，產生了比較大的渦流，使得測試板左邊空氣不能正常的進行換熱，即產生了溫度死區.

圖4　Z=0 m速度矢量圖Fig.4　The velocity vector diagram of Z=0 m

圖5　測試平面溫度圖Fig.5　The image of test surface temperature

3實驗驗證與分析

實驗過程中采用研華工控機為控制單元，PCL-730卡為I/O卡，PCL-813卡為A/D采樣卡，溫度傳感器采用PT100，上位機軟件由Delphi編寫，采用access 2007數據庫對需要采集的數據進行自動存儲，可以避免人工的查詢與記錄.

測試平面溫度傳感器布線方式如圖6所示，在模型中進行多次仿真然后與結果相對比，圖7為工況一的實驗與模擬對比圖，經過多次實驗對比發現，測試點4處的模擬值與實際值偏差較大，測試平面的總體溫度趨勢與實際的溫度趨勢吻合的較好，故該模型可用于實際恒溫箱內部溫度場的預測.為了研究葉輪的轉速，加熱管功率等在恒溫箱內的影響，在表1仿真基礎上設置幾組邊界條件進行模擬如表2所示.由工況一、二可以看到，當增加葉輪轉速，即增大送風量可明顯改善溫度均勻性；由工況一、三可以看出，當減小加熱管功率，即減小送風溫差也能明顯改善溫度場的均勻性.

在實驗中，送風溫差取決于加熱管與制冷機組熱平衡后的熱負荷，送風量取決于風機的轉速.采用熱平衡方式，即制冷機組常開，用加熱管平衡多余的制冷量可以減小送風溫差；還可以對加熱管開關量進行更加精細的PID連續調節，這樣可以減小溫度波動從而增加溫度均勻性；對于增加送風量，在試驗標準允許條件下提高風速，可以加強空氣在箱內流動，消除死區，從而提高溫度均勻度.

圖6　溫度探頭布置圖Fig.6　The layout of temperature sensor

圖7　工況一的實驗與模擬對比圖Fig.7　The experimental contrast figure of condition 1

邊界條件工況一工況二工況三葉輪轉速/(r·s-1)300100300加熱管功率/(kW·m-3)800800400觀測面最大溫差/℃2.44.62.0

4結論

根據實際恒溫箱的具體尺寸、工況建立了模型，對其進行了數值模擬和實驗驗證，利用fluent軟件對恒溫箱的整體進行了數值計算，揭示了箱體內速

度場和溫度場的分布特點.因為網格生成的難度，所以模型中簡化了上下孔板的結構，過程中也沒有考慮扇葉的具體尺寸.溫度實驗值與模擬值最大偏差在5%內[13]，總體的模擬結果與實驗測得吻合良好，溫度分布符合實際情況.由仿真結果可以看出：減小送風溫差和提高風循環速度都可以提高恒溫箱內的溫度均勻性，但從實際角度考慮，減小送風溫差的方法更加經濟可行，這就需要在溫度控制上從原來的PID控制轉為更加精細的控制方法.由于恒溫箱無法做到結構上完全對稱，在靠近離心葉輪的一方產生了速度較大的射流，氣流進入測試環境后，左邊氣流速度大于右邊，出現溫度不均勻，為了彌補結構上的缺陷，可在恒溫箱上方添加擋風板和交叉條，從而增加結構的對稱性.

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(責任編輯：劉巖)

中圖分類號：TP23

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)03-0237-04

作者簡介：沈希(1966—),男,浙江杭州人,教授,主要從事熱物理量的測量和控制研究,E-mail:sx@zjut.edu.cn.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51076143)

收稿日期：2014-12-19