環境實驗箱氣流組織與圍護結構耦合傳熱研究

（中國飛機強度研究所，西安710065）

環境實驗箱氣流組織與圍護結構耦合傳熱研究

劉海燕，馬建軍

（中國飛機強度研究所，西安710065）

目的研究環境實驗箱在升、降溫過程中氣流組織與圍護結構的耦合傳熱行為，為環境實驗箱制冷/加熱能力的確定提供精確的設計方法。方法首先利用UC240環境實驗箱搭建實驗平臺，測量環境箱送風口速度分布，以及升、降溫過程中室內及壁面的溫度曲線，然后對環境箱進行建模，以實測的送風速度、溫度作為邊界條件，利用CFD方法進行仿真，最后對比分析實驗值與CFD仿真的結果。結果利用CFD方法計算得到的環境箱升、降溫曲線與實測值吻合較好，尤其是壁面溫度曲線，誤差不超過4℃。送風溫度可以根據蒸發器理論或加熱功率和回風溫度而動態地確定。結論利用CFD方法分析環境實驗箱氣流組織與圍護結構的耦合傳熱是可行的，FLUENT的UDF功能可根據需要擴展，以協助設計蒸發器和控制策略。

環境實驗箱；氣流組織；圍護結構；耦合傳熱；CFD；UDF

溫度的模擬是環境實驗箱的主要功能。箱體的最大熱負荷通常來自于較高的溫變速率，此時，環境箱的圍護結構是主要的熱負荷之一，因此在設計制冷或加熱系統的能力時，需計算圍護結構的熱負荷[1]。傳統的設計方法是采用有限差分法、狀態空間法、傳遞函數法等方法計算圍護結構的熱負荷[2—3]。這些方法因不考慮空氣的實際流動狀態以及與圍護結構之間的相互作用，會導致較大的設計誤差。為了保證環境箱的性能指標，只能通過放大制冷和加熱能力來彌補方法的不足，導致設備成本增大。事實上，氣流組織決定了箱內的溫度場分布和內壁面的對流換熱系數分布，而壁面對流換熱系數對圍護結構的傳熱影響很大。因此，要使環境箱的加熱和制冷能力設計得更準確，在計算圍護結構的熱負荷時，就必須考慮氣流組織與圍護結構的耦合傳熱問題，同時驗證氣流組織設計是否合理[4—5]。

1 耦合傳熱數值模擬方法簡介

1.1 流固耦合傳熱計算的數學基礎

環境實驗內的空氣流動要滿足連續性方程、動量方程、能量方程，固體傳熱要滿足傳熱方程，這些方程可以表示成下面的通用形式[6—7]：

式中：φ為通用變量，可以代表u，v，w，T等求解變量；Tφ為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項。CFD方法將流體域與固體域當作整體進行計算與分析，流體域與固體域僅僅在廣義擴散系數和廣義源項上有所不同。將固體與流體的界面特性采用調和平均處理，以滿足界面處的熱流平衡，將固體區域黏性系數取無窮大來保證其速度為0。

1.2 UC240環境實驗箱

為驗證用CFD方法計算氣流組織與圍護結構耦合傳熱的準確度，首先針對現有的UC240環境實驗箱進行了實驗。環境箱結構如圖1所示，內部尺寸為：L= 6.69 m，W=3.5 m，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，處理過的空氣經四個離心風機通過送風口送出，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。實驗箱底部有三個回風口。制冷系統為一套小型復疊式制冷機組，最低蒸發溫度-75℃。加熱采用電加熱，額定加熱功率為40 kW。

圖1 UC240環境實驗箱結構Fig.1 Sketch of UC240 environment test chamber

實驗室圍護結構由150 mm的庫板拼接而成，庫板分三層結構，從內到外為：不銹鋼—聚胺脂—不銹鋼，材料參數見表1。

表1 圍護結構材料參數Table 1 Material parameters of chamber enclosure

1.3 計算模型及邊界條件設置

為簡化計算，忽略對計算影響不大的細節。實驗箱內內壁按平板處理，忽略凸出的壁板，風口等效為與有效面積相同的矩形開口[8]。用CATIA V5建立包含圍護結構的幾何模型，用ICEM進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 網格劃分Fig.2 Grid of the chamber

空氣密度采用不可壓縮理想氣體模型，考慮空氣的密度變化，不考慮重力的影響，忽略壁面間的輻射換熱，操作壓力按當地大氣壓取值，湍流模型選擇RNGk-e兩方程模型[9]，壓力耦合采用SIMPLE算法，除壓力外各方程離散均采用二階迎風格式。邊界條件設置如下：

1）送風口。采用速度入口邊界，風口速度分布利用UDF編程[10]施加實際測量獲得的速度分布及方向，湍流動能及耗散率按式（2）計算[11]：

式中：vin為送風速度，由實測值給定；I為送風湍流度，取10%；L為送風口直徑，取0.27 m。送風溫度同樣利用UDF編程，施加實際測量得到的PT100溫度傳感器的溫度曲線。

2）回風口。采用壓力出口邊界，表壓為0。

3）內壁面及保溫板層與層之間的壁面設置為耦合界面，外壁面設置為對流換熱邊界，溫度為25.5℃，對流傳熱系數為5 W/（m2·K）。

4）內壁面由于升、降溫過程中壁面溫差不大，忽略壁面間的輻射換熱。

先按穩態計算出速度初場，由于壁面對流換熱系數對壁面第一層網格高度很敏感[12]，壁面函數要求30＜y+＜300，因此采用自適應網格方法，不斷地根據壁面y+調整網格，直到滿足要求。獲得流動初場后進行瞬態升溫或降溫計算。

2 環境參數實驗測試

2.1 溫度場和速度場測量點

在實驗箱內測量了1#～4#點上方的速度-高度曲線，如圖3所示。每個出風口截面測量了24個點的風速，所用的測量儀器為TESTO425精密熱敏風速儀。室內溫度測點按相關標準[13]要求布置15個點，如圖4所示，此外還在送風口、回風口、內壁面、外壁面及外部環境中布置了7個溫度測點，總的溫度測點為22個，測量設備為T型熱電偶及其配套的數據采集系統。此外出風口處自帶一個PT100鉑電阻溫度傳感器，用于系統自身的溫度測控。

圖3 室內風速測點Fig.3 Distribution of wind velocity measuring points

圖4 室內溫度測點Fig.4 Distribution of indoor temperature measurement points

2.2 實驗內容

實驗的內容主要有三項：

1）室內速度場的測量，利用熱敏風速儀測量得到等溫送風時室內測點及送風口處的速度；

2）-55℃降溫實驗，實驗前打開箱門通風3天，使圍護結構內部溫度場盡可能均勻，然后設定目標溫度為-55℃，開始降溫，記錄測點的溫度曲線，直到環境箱溫度達到-55℃；

3）+74℃升溫實驗，實驗前同樣打開箱門通風3天，使圍護結構內部溫度場盡可能均勻，然后設定目標溫度為+74℃，開始升溫，記錄測點的溫度曲線，直到環境箱溫度達到+74℃。

實驗結束后，將PT100鉑電阻測得的溫度曲線作為CFD模擬送風口的溫度邊界條件，實測的送風口速度分布作為CFD模擬時送風口的速度邊界條件，然后進行數值計算，最后將計算結果與實驗值進行對比。

3 計算結果與實測結果對比分析

3.1 速度場對比分析

圖5顯示了CFD計算與實測的測點速度對比，CFD計算在測點1，2，4的速度分布預測上，準確地反應了速度在高度方向的變化趨勢，在測點3與實測值有一定的偏差。這是因為送風口處的流動非常復雜，風口的簡化不可能做到與實際值完全一致，且對壁面進行了簡化，忽略了壁面凸出的部分。圖6顯示了室內的流動軌跡，送風射流與出口呈一定角度送出，受頂部導流板的作用轉向并貼附在頂棚上，增長了射程，利于送風射流的充分混合，整個試驗區都處在回流區。

圖5 測點速度CFD仿真與實驗對比Fig.5 Contrast of CFD simulated and experimental velocity magnitude

圖6 室內流動軌跡Fig.6 Path line of airflow

3.2 溫度場對比分析

實驗與CFD計算的降溫過程溫度曲線如圖7所示，可以看出，CFD計算的結果與實測值趨勢非常一致。受限于T型熱電偶的精度，實測溫度存在一定的誤差，PT100鉑電阻最終的溫度達到了-55℃，位于相同位置的熱電偶最終的溫度只有-52℃。CFD計算的室內溫度達到了-55℃，與廠家標定值一致，同時壁面溫度降至-54℃。

圖7 降溫曲線Fig.7 Temperature trends in the cooling process

考慮到熱電偶的誤差是基本一致的，現比較送風溫度與其他溫度的溫度差，如圖8所示。圖8中tin為送風溫度，tw為內壁面溫度，t為箱內平均溫度，σt為溫度不均勻度，按式（3）計算。

式中：ti為測點溫度；N為測點數量，N=15。

圖8 降溫實驗溫度差及溫度不均勻性系數對比Fig.8 Comparison of temperature difference and temperature nonuniformity coefficient in the cooling process

從圖8中可以看出，CFD計算的送風溫度與室內平均溫度差模擬值比實測值最大相差4℃左右，這可能是所用熱電偶不太適合測量低溫空氣造成的，但總體趨勢保持一致。送風溫度與壁面溫度差CFD值與實測值幾乎重合，壁面的溫度響應完全符合實際情況。溫度不均勻性系數模擬值比實測值偏低，考慮到實測值本身的誤差，這種偏差可以認為是正常的。

實驗與CFD計算的升溫過程溫度曲線如圖9所示，對比顯示CFD值與實測值趨勢保持一致，實測值受測量系統精度的影響有偏差，熱電偶測得的送風溫度比PT100鉑電阻低。

圖10顯示了送風溫度與室內平均溫度差，送風溫度與內壁面溫度差、溫度不均勻性系數CFD值與實測值的對比。可以看出，CFD值與實測值吻合得很好，尤其是送風溫度差與內壁面溫度差，CFD值與實測值最大相差不到3℃。

從上述對比分析可以看出，無論是降溫還是升溫，用CFD方法計算氣流組織與圍護結構的耦合傳熱都是可行的、準確的。

圖9 升溫曲線Fig.9 Temperature trends in the heating process

圖10 升溫實驗溫度差及溫度不均勻性系數對比Fig.10 Comparison of temperature difference and temperature non-uniformity coefficient in the heating process

3.3 送風溫度對比分析

降溫過程中，室內空氣從回風口進入空氣處理單元，與蒸發器產生換熱，釋放熱量，溫度降低，然后由離心風機驅動進入實驗區。實驗測量得到的同一時刻送風溫度和回風溫度的關系與CFD計算結果如圖11所示。

圖11 降溫實驗回風溫度和送風溫度的關系Fig.11 Relationship between supply and return airflow temperature in the cooling process

實驗及CFD計算的結果都表明，在降溫過程的大部分時間區間為240～4470 s，同一時刻的送風溫度和回風溫度呈線性相關，實驗得到的送風溫度tin和回風溫度tout可線性擬合為：

CFD計算得到的送風溫度tin和回風溫度tout可線性擬合為：

根據換熱器設計理論[14]，對于蒸發器，送風溫度可按式（6）計算：

式中：ε為蒸發器的有效度，取值范圍為0～1，由蒸發器的幾何特性、空氣流量等參數決定；tevp為蒸發溫度。因此，對于空氣流量和蒸發溫度恒定的蒸發器，送風溫度將與出風溫度呈線性相關。由式（4）可推出蒸發器的有效度為0.05，蒸發溫度為-90℃。由于實驗值有誤差，蒸發溫度比實際值-75℃偏低。由CFD結果可以推出蒸發器有效度為0.11，蒸發溫度為-84℃，比較接近實際蒸發溫度。

升溫過程中，循環空氣被空氣處理單元中的電加熱器加熱，在此過程中送風溫度與回風溫度的關系與CFD值如圖12所示。在區間40～1000 s，送風溫度與回風溫度也近似呈線性相關并可進行線性擬合。擬合的曲線與實測值或CFD值最大誤差不超過3℃，并且曲線斜率大于1。

圖12 升溫實驗回風溫度和送風溫度的關系Fig.12 Relationship between supply and return airflow temperature in the heating process

假設加熱器以恒定功率Q加熱，所產生的熱量完全被空氣吸收，通過換熱器的空氣質量流量為˙m，根據能量守恒有：

式中：cp為空氣的定壓比熱容，因此：

當體積流量保持定值時，質量流量可按式（9）計算：

式中：ρout為回風空氣密度；P為箱內壓力。因此出風溫度為：

以℃為單位時：

這就解釋了曲線斜率大于1的原因。根據式（11），當送風量為3.5 m3/h時，計算出的加熱功率為35 kW，與實際值40 kW很接近。

3.4 考慮蒸發器的仿真分析

根據蒸發器理論以及理想氣體狀態方程，回風溫度等可以推導出送風溫度，FLUENT的UDF功能為計算能力的擴展提供了有力工具，可以將蒸發器或加熱器的參數作處理，融合進CFD的仿真進程。根據式（6），利用UDF提供的DEFINE_EXECUTE_AT_END函數，在計算過程中動態地根據回風溫度計算送風溫度，計算結果如圖13所示。

圖13 考慮蒸發器時的降溫計算Fig.13 Cooling simulation considering evaporimeter

圖13中CFD近似為考慮蒸發器時的計算，作為對比還顯示了上文CFD計算的結果。CFD近似計算忽略了降溫初期蒸發器未完全滿負荷運行，不完全滿足式（6）這一情況，計算全程送風溫度都按式（6）進行計算，回風溫度達到-55℃后送風溫度設定在-56℃。可以看出，這種近似處理方法在整個降溫過程中與實際模擬值的趨勢是相當一致的，不同的是降溫初期與實際模擬有一定的偏差，降溫剛開始時，作近似處理的降溫速率較快，這是正常的。隨著時間的進行，近似處理的結果與實際模擬就趨于一致了。

圖14顯示，CFD近似計算相當于把降溫過程整個在時間軸上向前平移了一段距離，而這種平移對最終的結果幾乎是沒有影響的。如果對蒸發器進一步進行分析，獲得降溫過程中蒸發器的工作狀態，將能得到精確的送風溫度表達式，考慮蒸發器時的CFD模擬也將更加精確。反過來CFD模擬的結果還能驗證蒸發器的設計參數是否合理，這對加熱器的設計同樣適用，甚至可以對控制策略進行驗證[15]。

圖14 溫度差與內壁面熱流對比Fig.14 Comparison of temperature difference and inner wall heat flux between two CFD methods

4 結論

文中通過實驗以及CFD數值模擬，對UC240環境箱的室內流場、升溫、降溫過程進行了模擬，得出以下結論。

1）利用CFD方法來模擬環境實驗箱的氣流組織與圍護結構的耦合傳熱是可行的、可信的，能夠得到更準確的室內溫度、圍護結構的溫度響應。

2）送風溫度的確定因素：降溫送風溫度主要由蒸發器的有效度、回風溫度以及蒸發溫度來確定。升溫度送風溫度主要由加熱功率、送風流量和回風溫度確定。

3）根據蒸發器的性質來動態地確定送風溫度是準確的。

4）FLUENT的UDF功能可根據需要進行擴展，驗證蒸發器或加熱器的設計參數，并可對控制策略進行驗證。

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Coupled Heat Transfer Analysis of Airflow and Enclosure Structures of Environment Test Chamber

LIU Hai-yan，MA Jian-jun
（Aircraft Strength Research Institute of China，Xi′an 710065，China）

Objective To study the coupled heat transfer of airflow and enclosure structures of environment test chamber during cooling or heating process,in order to provide an accurate method of cooling or heating capacity design for environment test chamber.Methods First,an experiment platform was established based on UC240 test chamber, airflow distribution at the outlet of environment test chamber and temperature curves inside the chamber and on the chamber wall during the cooling or heating process were measured.Then,the cooling and heating process of the chamber was calculated with CFD method,while the measured inlet air velocity and temperature was applied as the boundary conditions.Results The CFD results of temperature curves corresponded well to the experimental results, especially the curve of inner wall temperature,and the error was less than 4℃.The supply air temperature could be dynamically calculated according to heat exchanger theory or heating power and outlet temperature.ConclusionCalculation of coupled heat transfer of airflow and enclosure structures of environment test chamber based on CFD method was feasible and accurate.The UDF function of FLUENT could be expanded to help design heat exchanger and control system.

environment test chamber；airflow structure；enclosure structure；coupled heat transfer；CFD；UDF

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.009

TJ01；V416

：A

1672－9242（2016）02－0044-08

2015-10-13；

2015-11-13

Received：2015-10-13；Revised：2015-11-13

中國航空工業集團公司技術創新基金（2013F62302）

Fund：Supported by Technique Innovation Foundation of Aviation Industry Corporation of China（2013F62302）

劉海燕（1968—），男，陜西戶縣人，碩士，高級工程師，主要研究方向為飛機結構環境強度。

Biography：LIU Hai-yan（1968—），Male，from Huxian，Shaanxi，Master，Senior Engineer，Research focus：environment strength of aircraft structure.