基于科研平臺(tái)的創(chuàng)新培養(yǎng)模式探討
——計(jì)算集群環(huán)境熱力學(xué)仿真計(jì)算

吳 靜， 陳藝超， 姚列明

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院, 成都 610054)

0 引 言

對(duì)整體集群的房間熱分布情況進(jìn)行的熱力學(xué)和電磁仿真是基于磁約束裝置中復(fù)雜的真空室環(huán)境進(jìn)行的仿真。工作期間線圈會(huì)承受真空室壁的熱輻射、局部的渦流、自身焦耳熱等多種熱源，連續(xù)放電帶來(lái)熱積累會(huì)損壞線圈結(jié)構(gòu)，減小線圈的使用壽命[1]。對(duì)托卡馬克線圈進(jìn)行必要的熱力學(xué)分析，是改造與發(fā)展磁約束核聚變的重要課題。通常使用有限元分析軟件對(duì)托卡馬克進(jìn)行熱力學(xué)分析，郝長(zhǎng)端[2]利用ANSYS CFX模擬分析J-TEXT托卡馬克共振磁擾動(dòng)線圈在首次放電后的溫升，并進(jìn)行相應(yīng)二維與三維的水冷分析；岑義順[3]分別模擬了聚變裝置在電阻生熱、真空室壁熱輻射、300 ℃高溫烘烤條件下RMP線圈的溫升。CFX(Computational Fluid X)是Ansys有限元分析軟件中的一個(gè)模塊，是一款做流動(dòng)分析的專業(yè)的商業(yè)軟件，可用來(lái)模擬內(nèi)部流動(dòng)分析。目前，CFX已經(jīng)遍及航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、能源、石油化工等領(lǐng)域，為用戶解決了大量的實(shí)際問(wèn)題[4-7]。通過(guò)讓學(xué)生模擬計(jì)算集群的空調(diào)房間，有助于掌握并熟練使用Solidworks和ANSYS CFX軟件，利于自主學(xué)習(xí)能力與科研能力的培養(yǎng)。在本文中，由于要對(duì)RMP線圈設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行綜合的模擬，例如熱力學(xué)和電磁學(xué)模擬。這些工作都需要強(qiáng)大的仿真軟件，例如ANSYS，MAXWELL等軟件。也需要科研人員掌握熟練的模擬技巧。

基于此，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的模擬環(huán)境，例如柜式空調(diào)與中央空調(diào)兩種模型下的集群房間熱力學(xué)場(chǎng)分布，來(lái)引導(dǎo)高年級(jí)本科生或低年級(jí)研究生初步進(jìn)入科研狀態(tài)，以提高其扎實(shí)的工科基礎(chǔ)和專業(yè)技能?？照{(diào)分為室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)，室外機(jī)的安放位置會(huì)影響空調(diào)能耗[8]，而室內(nèi)機(jī)的安裝位置，尤其是送風(fēng)口和回風(fēng)口的相對(duì)位置，容易對(duì)空調(diào)的制冷或制熱效果造成影響。辦公集群的房間一般使用柜式空調(diào)或中央空調(diào)，本文以集群房間的運(yùn)行為模型，使用CFX軟件對(duì)空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)下房間內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)的模擬，觀察一段時(shí)間內(nèi)房間的溫度場(chǎng)變化。此外，為了比較柜式空調(diào)與中央空調(diào)的制冷效果，模擬將在不同的送風(fēng)口位置條件下進(jìn)行。本文建立了實(shí)際的模型，給出了結(jié)果和分析，優(yōu)化方案，結(jié)論和展望。

1 建立模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)實(shí)際情況，收集集群房間的各種參數(shù)，繪制集群房間Solidworks模型的布局結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。從正視圖和左視圖可以看到，左邊區(qū)域?yàn)楦魯?，中間為風(fēng)冷式柜式空調(diào)放置的位置，空調(diào)高度為1.4 m，寬度為0.6 m，厚度為0.36 m。右邊為單層隔斷，隔斷高度1 m?？梢詮母┮晥D和三維圖看到集群房間的具體布局。房間占地面積為36 m2。左側(cè)有6個(gè)隔斷區(qū)域，右側(cè)有2個(gè)隔斷區(qū)域，隔斷厚度為0.1 m。柜式空調(diào)系統(tǒng)安放在兩個(gè)辦公桌之間靠墻的位置，空調(diào)邊緣距與房間左右兩側(cè)的距離分別為3.3 m和2.1 m?；诖耍o出了圖2所示的集群房間網(wǎng)格圖。網(wǎng)格的劃分是有限元分析的前提條件，CFX軟件自身不帶有網(wǎng)格生成的功能，需要借助動(dòng)網(wǎng)格(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code for Computational Fluid Dynamics，ICEM CFD)軟件進(jìn)行劃分。由于計(jì)算的集群房間模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，仿真結(jié)果主要觀察溫度分布變化，沒(méi)有極高的計(jì)算精確度要求，故可以選擇ICEM軟件的自動(dòng)生成網(wǎng)格功能。在圖2中，由于考慮到模型為熱分析，因此設(shè)置為流體模型，并設(shè)置空調(diào)的送風(fēng)口與回風(fēng)口。送、回風(fēng)口面積分別為(0.340 m×0.545 m)和(0.750 m×0.545 m)。在隔斷區(qū)域是人工作期間的長(zhǎng)時(shí)間逗留區(qū)域，需要分析該區(qū)域的熱力學(xué)分布特性。由于需要進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考慮到實(shí)際情況，添加中央空調(diào)模型，如圖3所示。保持送風(fēng)口的形狀及尺寸不變，將其移至頂部(距離地面3 m)，風(fēng)口與左右兩側(cè)墻壁的距離與柜式空調(diào)送風(fēng)口一致，且其他條件不變。圖3中包含墻面的房間邊框(6 m×6 m×3 m)作為兩種模型(風(fēng)冷柜式空調(diào)和中央空調(diào))的物理模型計(jì)算空間(邊界條件)。由于在模型計(jì)算過(guò)程中，人與一些工作設(shè)備(如工作站)也可以作為熱源出現(xiàn)在計(jì)算集群內(nèi)，但影響較小，考慮到門是關(guān)閉狀態(tài)，因此忽略門縫的熱量流失和增加及人與設(shè)備作為熱源所帶來(lái)的計(jì)算影響。

圖1 集群房間Solidworks模型圖

圖2 集群房間網(wǎng)格圖

圖3 中央式空調(diào)模型圖

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

常用于熱分析問(wèn)題的湍流模型有k-ε湍流模式[9-12]，其中k為湍動(dòng)能，定義為速度波動(dòng)的變化量，ε為湍動(dòng)能耗散，即指速度波動(dòng)耗散的速率，湍動(dòng)能k的值越大，則湍流長(zhǎng)度以及時(shí)間尺度越大；而ε則相反，湍動(dòng)能耗散值ε越大，湍流長(zhǎng)度以及時(shí)間尺度越小。k-ε湍流模式是半經(jīng)驗(yàn)的公式，是Launder和Spalding[13]實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來(lái)的。這種模型準(zhǔn)確度高且易于收斂，是CFX模擬中最常用的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模型，是工程流場(chǎng)計(jì)算中主要的工具。湍流模型的局限在于只能對(duì)湍流核心區(qū)流動(dòng)的求解，需要通過(guò)壁面函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，才能夠完成整個(gè)湍流區(qū)域的流動(dòng)計(jì)算。選擇Ansys CFX軟件默認(rèn)的Scalable 壁面函數(shù)作為本文模擬的壁面函數(shù)，這種壁面模型可以促進(jìn)模擬的收斂性和準(zhǔn)確性。Scalable壁面函數(shù)的目的在于聯(lián)合使用標(biāo)準(zhǔn)壁面方法以強(qiáng)迫使用對(duì)數(shù)律。這種壁面函數(shù)既省去了為壁面存在而修改湍流模型，又克服了其他壁面函數(shù)沿壁面法去細(xì)化網(wǎng)格時(shí)導(dǎo)致數(shù)值結(jié)果惡化的缺點(diǎn)。在仿真過(guò)程中，引入y*作為無(wú)量綱量用來(lái)描述湍流邊界壁面網(wǎng)格的相對(duì)大小。該壁面函數(shù)能避免在y*<15時(shí)計(jì)算結(jié)果不收斂，該壁面函數(shù)對(duì)于任意細(xì)化的網(wǎng)格，能給出一致的解。當(dāng)網(wǎng)格粗化使y*>11時(shí)，該壁面函數(shù)的表現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)一致。

計(jì)算模型與函數(shù)選擇完成后，需要設(shè)置初始條件及求解條件。參考實(shí)際情況后，設(shè)置的各個(gè)條件參數(shù)為：初始溫度40 ℃，空調(diào)溫度23 ℃，空調(diào)流速4 m/s，時(shí)間間隔20 s，總時(shí)間120 s。實(shí)際應(yīng)用中，辦公集群的空調(diào)送風(fēng)口的流速一般在2.5～6 m/s區(qū)間，本文取4 m/s。制冷溫度范圍一般為21～26 ℃區(qū)間，本文取23 ℃，集群房間的初始溫度取40 ℃。本文為瞬態(tài)模擬，還需要設(shè)置時(shí)間間隔(步長(zhǎng))與總時(shí)間(總步長(zhǎng))，總時(shí)間規(guī)定了軟件計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度，時(shí)間間隔的設(shè)置會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的顯示，能夠得到總時(shí)間范圍內(nèi)，每個(gè)時(shí)間間隔時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果。在一些很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，步長(zhǎng)的設(shè)置還會(huì)影響計(jì)算的收斂，這種情況對(duì)步長(zhǎng)的設(shè)置有比較嚴(yán)格的要求?；诖思悍块g空調(diào)模型簡(jiǎn)單，計(jì)算易收斂，迭代少，因此對(duì)步長(zhǎng)的設(shè)置要求較低，進(jìn)一步考慮到空調(diào)的制冷效果一般在短時(shí)間內(nèi)較為明顯，故本文選擇120 s作為總步長(zhǎng)。由于時(shí)間間隔太短不僅計(jì)算量增加，且不利于計(jì)算模擬結(jié)果的比較，為了便于對(duì)比每個(gè)時(shí)間間隔時(shí)刻的溫度分布變化，選擇20 s為時(shí)間間隔，將得到6個(gè)時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果。此外，墻面以及辦公隔斷均設(shè)置為絕熱體。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

如圖4所示，設(shè)置高度為1 m的平面截面為觀測(cè)面，得到該面上柜式和中央式空調(diào)模型房間在每個(gè)時(shí)間間隔時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖。圖4(a)～(f)顯示的是柜式空調(diào)模型，圖4(g)～(l)顯示的是中央空調(diào)模型。圖4很好地展示了觀測(cè)面的降溫過(guò)程。從圖4(a)可以看出，在時(shí)間t=20 s的時(shí)候，空調(diào)送風(fēng)口附近的區(qū)域溫度最低，房間右側(cè)的區(qū)域溫度較低，左側(cè)隔斷區(qū)域的溫度仍然很高，隨著空調(diào)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，房間各個(gè)區(qū)域的溫度慢慢降低，t=120 s時(shí)刻，觀測(cè)面上的溫度均在35 ℃以下，降溫效果明顯。同樣的，從圖4(g)～(l)看出，中央空調(diào)也經(jīng)歷了類似的降溫過(guò)程。對(duì)比兩種模型的溫度場(chǎng)分布圖，如圖4(a)和圖4(g)所示，t=20 s時(shí)刻中央空調(diào)模型的高溫區(qū)域明顯多于柜式空調(diào)，此時(shí)柜式空調(diào)的降溫效率比中央空調(diào)高很多。另外，在中央空調(diào)的溫度場(chǎng)分布圖中，空調(diào)附近區(qū)域的溫度變化速率慢，降溫效率比柜式空調(diào)模型低得多。但在靠近風(fēng)口路徑的右側(cè)隔斷和左側(cè)的兩個(gè)隔斷區(qū)域，中央空調(diào)的降溫效率更高?？紤]到是冷氣流通過(guò)送風(fēng)口引入集群房間的流動(dòng)路徑原因所引起的降溫效率差異，給出了觀測(cè)面及以下區(qū)域的氣流矢量圖。由于氣流矢量分布在各個(gè)時(shí)刻幾乎相同，不存在明顯的變化，故只需要給出某時(shí)刻的氣流矢量。本文選擇60 s時(shí)刻，繪制的柜式空調(diào)模型和中央空調(diào)模型的矢量圖，如圖5所示。圖5(a)顯示，柜式空調(diào)冷氣流從送風(fēng)口進(jìn)入房間，直接傳輸至對(duì)面墻壁后，往左右兩個(gè)方向到達(dá)兩側(cè)辦公桌區(qū)域。由于辦公桌隔斷板的原因，使得到達(dá)左側(cè)辦公區(qū)域冷氣流受到一定阻礙，導(dǎo)致溫度較高于其他區(qū)域，見(jiàn)圖4(c)。圖5(b)顯示了中央式空調(diào)的氣流從屋頂送風(fēng)口沿直線至兩側(cè)辦公桌之間的地面后向四周擴(kuò)散，同樣受到左側(cè)辦公桌隔斷板的限制，使左側(cè)辦公區(qū)域(靠近送風(fēng)口位置除外)溫度偏高。由于觀測(cè)面在回風(fēng)口上方，氣流撞擊地面后有一部分沿著回風(fēng)口方向離開(kāi)辦公集群房間，并未對(duì)觀測(cè)面溫度造成影響，所得結(jié)果與圖4(i)的溫度場(chǎng)分布圖一致，也解釋了為什么回風(fēng)口附近區(qū)域也有較高溫度。

如圖6所示，在觀測(cè)面上選取了1#～12#12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，所取觀測(cè)點(diǎn)包括8個(gè)隔斷區(qū)與4個(gè)走廊區(qū)域的點(diǎn)，繪制每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在柜式空調(diào)與中央空調(diào)模式下的溫度變化曲線，為了方便對(duì)比，將兩種模型的同一觀測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線放置在同一個(gè)圖中，如圖7所示。在觀測(cè)點(diǎn)中，柜式空調(diào)模型的最佳降溫效率點(diǎn)是7#位，因?yàn)榇擞^測(cè)點(diǎn)靠近送風(fēng)口，是冷風(fēng)首先到達(dá)的區(qū)域。類似地，中央空調(diào)模型的最佳降溫效率點(diǎn)為最靠近送風(fēng)口位置的8#位。從兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)最佳降溫效率的溫度曲線上看，它們?cè)谇?0 s內(nèi)的溫度下降很快，但在20 s后的降溫速度有明顯的降低。這是因?yàn)槔滹L(fēng)離開(kāi)送風(fēng)口后，首先到達(dá)這兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，因此溫度下降很快，但隨后冷風(fēng)逐漸擴(kuò)散到集群房間的各個(gè)區(qū)域，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的降溫效率變低。比較兩種模型在隔斷區(qū)域的降溫效率，在2#和3#位的溫度曲線十分接近，降溫效率沒(méi)有太大差異。中央空調(diào)模型在5#、6#、11#和12#觀測(cè)點(diǎn)的降溫效率高于柜式空調(diào)模型，原因是中央空調(diào)冷風(fēng)更易于到達(dá)這4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位置(從圖5的氣流矢量圖可以看出)。因此，中央空調(diào)模型在隔斷區(qū)域的整體降溫效率優(yōu)于柜式空調(diào)模型，考慮到8個(gè)隔斷為人的長(zhǎng)時(shí)間逗留區(qū)，此模型房間更適于安裝中央式空調(diào)。

(a) t=20 s(b) t=40 s(c) t=60 s柜式空調(diào)(d) t=80 s(e) t=100 s(f) t=120 s(g) t=20 s(h) t=40 s(i) t=60 s(j) t=80 s(k) t=100 s(l) t=120 s中央空調(diào)

圖4 柜式空調(diào)與中央式空調(diào)模型觀測(cè)面在

圖5 柜式空調(diào)與中央空調(diào)模型的氣流矢量圖

圖6 觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

通過(guò)計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)一步給出優(yōu)化方案。依據(jù)圖4的溫度場(chǎng)分布圖所示，不論是柜式還是中央空調(diào)模型。左側(cè)隔斷區(qū)域的降溫效率都遠(yuǎn)低于右側(cè)隔斷區(qū)域，尤其是左上角隔斷區(qū)域，是降溫最慢的一個(gè)區(qū)域。為此提出一個(gè)改進(jìn)方案，使左上角隔斷區(qū)域的降溫效率得以一定程度的提高。由圖5的氣流矢量圖，冷氣在左側(cè)隔斷區(qū)域的流動(dòng)受到不同程度的阻礙，如果在此區(qū)域設(shè)置一個(gè)出口，將有利于冷氣的對(duì)流，一部分冷氣流將聚集在此出口附近，這些區(qū)域的降溫效率也將得到提高?？紤]到左上角隔斷區(qū)域的降溫效率最低，將在出口設(shè)置在此區(qū)域，如圖8所示，矩形出口尺寸大小為：長(zhǎng)0.5 m，寬0.3 m。由于更關(guān)心空調(diào)運(yùn)行初期的降溫效率的提高，故只模擬20 s與40 s時(shí)刻的結(jié)果，在更長(zhǎng)時(shí)間的尺度下，效率的提高需要進(jìn)一步的計(jì)算。圖9(a)～(b)是柜式空調(diào)模型的模擬結(jié)果，圖10(a)～(b)是中央空調(diào)模型的模擬結(jié)果。與圖4比較，可以看出在左上角區(qū)域設(shè)置出口之后，不管是柜式或者中央空調(diào)模型，左邊隔斷區(qū)域在20 s和40 s時(shí)刻觀測(cè)面上的溫度都得到了顯著下降。對(duì)于柜式空調(diào)模型，集群房間右上角區(qū)域，包括右側(cè)靠近空調(diào)的隔斷區(qū)域，降溫效率受到了一定的降低，但相對(duì)而言，左側(cè)受到的降溫效率的提高影響要比右側(cè)區(qū)域明顯得多。對(duì)于中央空調(diào)模型，除了右側(cè)隔斷與墻之間的空隙區(qū)域降溫收到小程度的影響外，右側(cè)隔斷區(qū)域的降溫效率幾乎沒(méi)有影響。因此，對(duì)于兩種不同的空調(diào)模型，添加的出口都對(duì)集群房間觀測(cè)面上的降溫是有利的。

圖8 添加的出口位置示意圖

(a)t=20 s(b)t=40 s

圖9 柜式空調(diào)模型溫度場(chǎng)分布圖

圖10 中央空調(diào)模型圖

3 結(jié) 論

對(duì)于復(fù)雜的物理及相關(guān)工程問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的模型，鍛煉分析學(xué)生對(duì)物理仿真的認(rèn)識(shí)，可以從初步模擬仿真入手，在科研訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，這種模式尤為有效。在本專業(yè)中，希望得到未來(lái)聚變裝置ITER及國(guó)內(nèi)托卡馬克裝置的熱力學(xué)等復(fù)雜仿真結(jié)果[14-16]。因此為了更進(jìn)一步的為科研提供基礎(chǔ)，攝者實(shí)際條件，建立計(jì)算集群房間參數(shù)，建立相關(guān)模型，通過(guò)熱力學(xué)模擬軟件，分析在制冷條件下溫度場(chǎng)的分布和演化規(guī)律。①利用ANSYS CFX能夠有效的模擬集群房間熱分析，模擬出房間內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖，流體矢量圖等數(shù)據(jù)，可以根據(jù)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)優(yōu)化集群空調(diào)參數(shù)設(shè)計(jì)。②選取并繪制12個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線，比較柜式和中央空調(diào)在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的溫度下降速度，中央空調(diào)模型有更多的隔斷區(qū)域觀測(cè)點(diǎn)的降溫效率高于柜式空調(diào)，得出此集群房間更適合安裝中央空調(diào)。③提出提高集群房間降溫效率的方案。在降溫效率較低的區(qū)域添加一個(gè)出口，影響冷氣流的流動(dòng)，模擬結(jié)果表明這樣的設(shè)置有利于集群房間降溫效率的提高。

基于科研平臺(tái)的人才培養(yǎng)模式更能培養(yǎng)出優(yōu)秀和具有創(chuàng)新能力的人才，從原先的灌輸式教學(xué)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)模式。學(xué)生在模擬過(guò)程中遇到問(wèn)題，分析問(wèn)題，從而進(jìn)一步解決問(wèn)題。不僅很大程度提高學(xué)生學(xué)習(xí)掌握軟件的效率，在提升學(xué)生獨(dú)立思考及創(chuàng)新能力的作用更是不容忽視。該模式可以為人才培養(yǎng)和人才鍛煉提供基礎(chǔ)，培養(yǎng)具有專業(yè)技能和物理背景的復(fù)合型人才[17-18]。