嬰兒培養箱內空氣流場可視化模擬研究

閆愛政 徐先慶 王坤

摘 要：對嬰兒培養箱內部空氣的流動狀態分析，以計算機流體動力學知識為基礎，利用CFD計算機流體仿真軟件，建立三維仿真模型，對嬰兒培養內流場進行可視化模擬研究分析，實現仿真模型的形象化，可視化，參數化，為進一步開展系統研究、結構優化設計等提供參考數據。

關鍵詞：嬰兒培養箱；內流場；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.198

0 引言

嬰兒培養箱是一種嬰幼兒保育設備，采用“空氣對流熱調節”的循環方式，維持嬰兒艙內域流場參數的穩定性。在空氣流動循環過程中，路程較長，過程復雜，空氣流動狀態比較抽象，很難把控空氣流速和溫度場的分布狀態。本文以計算流體動力學知識為基礎，利用CFD計算機流體仿真軟件，對嬰兒培養箱內空氣流場進行的可視化模擬研究。

1 嬰兒培養箱空氣流動循環原理

目前，多數廠家生產的嬰兒培養箱是由風扇驅動，采用“縱向空氣對流熱調節”方式，維持內部空氣往復循環的過程。通過空氣入口，補充在循環過程中損失的空氣；利用電加熱器，保證空氣的適宜溫度；通過風道結構的設計，控制空氣流場的分布狀態等。其空氣循環通道結構主要包括風扇、加熱器、腔體、隔板、嬰兒艙、前內襯板、上內襯板、后內襯板、嬰兒床等。如圖1。

2 CFD建模與仿真

基于CFD的嬰兒培養箱內空氣流場可視化模擬研究，是通過建立嬰兒培養箱內空氣流場仿真模型，利用CFD計算機流體仿真軟件進行仿真，并對仿真結果進行參數化和可視化處理，有效的觀察和分析嬰兒培養箱內空氣流場循環過程[1]。

建立三維仿真模型，采用自適應網格的劃分方法進行網格劃分，采用瞬態模擬，設置流體計算域和風扇旋轉計算域。計算域介質為理想空氣，風扇旋轉域的運動模式為旋轉模式，旋轉速度為100rad/s。空氣進口溫度設為環境溫度25℃，出口溫度設置為出口平均溫度，加熱器表面溫度為45℃，壁面設置為絕熱條件。

參照GB 11243-2008，在模型中設置五個監控點，分別命名為A、B、C、D、E，分別監控其速度、溫度和壓力的變化[2]。根據求解器收斂情況，判斷程序求解運行過程是否正常，及確認求解結束。

3 仿真結果分析

利用CFD軟件的后處理器對計算的數據結果進行參數化和可視化分析。建立模型中A、B、C、D、E五點的速度和溫度進行分析，與樣機實測數據相比較，驗證仿真結果的合理性。如表1，2。

由表中數據可以看出，計算值與實測值的分布狀態一致，并且五個監控點速度平均值均在0.1m/s以下，監控點溫度平均值相互之間最大相差0.1℃，滿足國標不大于0.8℃的要求。滿足嬰兒培養箱內空氣流動狀態分析使用參數要求，因此可以確認仿真結果是合理的。

4 總結

基于CFD的嬰兒培養箱內流場可視化模擬仿真，分析嬰兒培養箱內空氣流動狀態，得到嬰兒培養箱內部空氣流動特性。經過仿真結果后處理分析，能夠進行全方位的視覺觀察嬰兒培養箱內部空氣的整個循環過程和流動特性，并提供詳細和完整的數據參數，實現了仿真模型的形象化，可視化，參數化，彌補理論分析的抽象化、簡單化和實驗分析的周期長，投入成本高等不足問題，為進一步開展的系統研究，結構優化設計等方面提供參考數據。

參考文獻：

[1]高飛，李昕.ANSYS CFX 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013：89-90.

[2]GB 11243—2008.醫用電氣設備 第二部分：嬰兒培養箱安全專用要求[S].北京：中國標準出版社，2009.

作者簡介：閆愛政（1984-），男，安徽人，碩士，研究方向是電子儀器結構件設計，有限元分析仿真，流體動力學的模擬仿真研究。