局部孔板送風人工環境的氣流組織數值模擬與試驗研究

齊 昊，李 瑛，吳一鳴，張 良，齊 創

（1.上海理工大學 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 能源與動力工程學院，上海 200093；2.中國船舶重工集團公司第七O三研究所 無錫分部，江蘇無錫 214000）

0 引言

家用電器是人們生活中必不可缺的部分，隨著人們生活品質的不斷提高，以及當今社會對于國家節能減排政策的積極響應，人們對于家用產品的能效和質量要求也越來越高。人工試驗環境室作為家用電器測試的場所，隨著家電種類的增加以及性能要求的提升，高精度的恒溫恒濕試驗環境室的需求也越來越多［1-2］。CFD模型方法［3-4］具有模擬設備簡單、成本低、計算速度快、可模擬復雜的實際問題等優點，被廣泛應用于暖通空調領域的模擬研究中［5-7］。本文根據人工試驗環境室的設計要求，采用孔板送風的方式，利用CFD模型方法對于高精度的人工試驗環境室進行多種條件下的氣流組織和溫度場進行模擬計算，根據模擬計算結果對實際試驗環境室進行優化設計。

1 人工試驗環境室的氣流組織設計

本次設計的試驗環境室主要為電飯鍋、電磁灶、微波爐等小家用產品的能效檢測提供試驗環境場所。根據GB 12021.6—2017以及GB/T 7725—2004以及相關單位的協議要求，人工試驗環境室的工況控制范圍和精度要求為：工作溫度（15～35）±1 ℃，相對濕度（30%～70%）±3%，工作區域風速＜0.5 m/s。

孔板布置方式如圖1所示。

圖1 孔板布置方式Fig.1 The layout of orifice

（1）確定送風方式為孔板下送風，送風孔板采用模數為0.6 m×0.6 m的微孔鋁板，即可作為送風口，又可作為吊頂的一部分。整體室內設計面積26.81 m2，送風孔板與頂板的面積之比為0.483＜0.5，滿足局部孔板送風條件。燈具及吊頂鋁板也采用0.6 m×0.6 m模數，以滿足功能性及美觀性的要求。

（2）因為孔板送風具有速度衰減快，混合過程短，室內溫度和速度分布均勻的特點。取送風溫差為2 ℃，根據冷負荷計算得到送風量L為4 600 m3/h，單塊孔板送風為128 m3/h。校核換氣次數n=L/V，V為房間體積，經計算n約為51次/h，滿足大于8次/h的換氣次數要求。

（3）在工作區高度h=1.2時，判斷計算斷面所在射流段。由《實用供熱空調設計手冊》可知，孔板為矩形孔板時起始段長度x=4b（其中b為孔板的寬度）計算得到射流還處于起始段，采用下列公式進行計算：

式中 ux1——起始段中心速度，m/s；

u0——孔口出流速度，m/s；

K1，K2，K3—— 考慮射流受限、射流重合、非等溫影響的修正系數；

Cm——開孔率；

μ —— 孔口流量系數，本文為鋁制薄孔板，取μ =0.8。

式中 Δtx1—— 起始端中心溫度與周圍空氣溫度之差，℃；

Δtx0—— 孔口送風溫度與周圍空氣溫度之差，℃。

假設開孔率Cm為3%，則可通過單位孔板風量及孔板面積計算得到u0為3.3 m/s。通過查圖可得 K1為 0.35，K2為 1.02，K3為 1.4。將 K1，K2，K3以及Cm帶入式（1）和式（2），則可計算得到ux1為 0.3 m/s，Δtx1為 0.8 ℃，滿足設計要求。

根據開孔率Cm=3%，選擇正方形排列，并取孔口直徑ds為6 mm，根據式（3）可得孔間距：

式中 ds——孔的直徑，mm，取ds=6 mm；

l ——孔與孔間的距離，mm。

可以計算得l=30 mm=0.03 m。

靜壓室內氣流應盡可能的小，以保持靜壓室內靜壓穩定，從而使氣流速度穩定，一般限制靜壓室氣流速度與孔口流速的比值為u / u0＜ 0.2（u為靜壓室流速（垂直于孔口出流方向），u0為孔口流速）以免出流不均和出流傾斜。靜壓室厚度用下式計算：

式中 h' ——靜壓室厚度，m；

B —— 靜壓室寬度，m，最大為房間寬度，取B=5.75 m；

u —— 靜壓室內空氣的流動速度，m/s，u =0.66 m/s。

代入上式得到高檔風量下h'=0.34 m，為保證靜壓穩定以及送風管道的安裝，取h'=0.70 m。

2 CFD模擬及試驗分析

2.1 物理模型的建立

根據實際的試驗環境室設計進行物理模型的建立，房間尺寸為4.86 m×5.75 m×3.35 m（長×寬×高），孔板高度為2.60 m，空氣處理柜位于環境室內且其尺寸為1.26 m×0.9 m ×2.6 m。由于實際孔板網格數目巨大，普通的計算機難以實現結果的計算［9］。為了簡化計算，將孔板進行模型簡化，利用外形面積與原孔板風口相等的簡單開口代替復雜孔板風口，來描述其入流的邊界條件，并保證入流的質量流量和動量流量符合實際［10-11］。文章主要對于室內測的氣流進行研究，所以針對孔板以下的室內環境進行模型設置，室內模型如圖2所示。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

2.2 基本假設和邊界條件的確立

對計算區域流體模型做如下假設：（1）試驗環境室內空氣為不可壓縮，空氣物性為常數，室內空氣為透明輻射介質；（2）環境試驗時流場是穩態的，本文模擬的是長時間運行后的穩定狀態，忽略時間項的影響，流動為穩態湍流；（3）考慮重力因素，參照Boussinesq密度假設，除密度外的其他物性參數為常數，對密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余項密度亦為常數，在該假設下，密度差可當做為純粹的溫度影響因素［12］；（4）忽略由流體粘性力作功引起的耗散熱；（5）不考慮漏風的影響，認為室內空氣除出口外都密封完好。

應用k-ε雙方程湍流模型進行模擬計算，計算方法為SIMPLE算法。設置速度進口來分別模擬不同風量工況［13］，出口端為壓力出口，靜壓設置為0 Pa。壁面設置為恒定壁溫條件，孔板設置為多孔介質跳躍模型［14］。多孔跳躍模型阻力計算公式［15］如下：

式中 μ ——空氣黏度，Pa·s；

v ——空氣流速，m/s；

α ——表面滲透率，m2；

C2——壓力階躍系數，m-1；

ρ ——空氣密度，kg/m3；

Δn ——孔板厚度，m。

根據試驗環境室的工作要求，采用循環風機變頻調速方式，以不同送風量的送風方式來滿足不同的要求。高風量模式下室內空氣循環次數更多，溫度分布更加均勻，所以可以快速的進行各種溫度工況的調節，但由于循環風機的轉速快，所以存在著噪聲較大的問題，對長期呆在環境室內的操作人員有一定的影響。低風量模式下循環風機的轉速較慢，產生噪聲小，具有更好的舒適性，但試驗工況的切換時間較長。采用不同風量送風組合模式，可更好地滿足環境試驗室的要求。因此本文確定了4 600，3 700，2 900 m3/h 3種不同的送風風量，通過模擬計算結果對比來得到合適風量設置。

2.3 數值結果與分析

為了比較中間工作區溫度速度的分布，從高度上選取3個不同高度橫剖面以及寬度方向上中間縱剖面進行分析［16］。并通過取3個主要工作區域的溫度、速度分布進行對比分析。

為了滿足試驗測試條件特選取4 600，3 700，2 900 m3/h 3種風量情況進行模擬對比，以得到合適的試驗送風風量設置。不同風量下的結果如圖3～7所示。

圖3 中心區域不同高度不同風量下溫度差異Fig.3 Temperature difference in central area with different heights and air volumes

圖4 相同高度不同區域不同風量下溫度差異Fig.4 Temperature difference in different areas with the same height and different air volumes

圖5 中心區域不同高度不同風量下速度差異Fig.5 Velocity difference in central area with different heights and air volumes

圖6 相同高度不同區域不同風量下速度差異Fig.6 Velocity difference in different areas with the same height and different air volumes

圖7 局部孔板送風下縱向截面溫度場Fig.7 Temperature field of longitudinal section under local orifice air supply

圖8 局部孔板送風下縱向截面速度場Fig.8 Velocity field of longitudinal section under local orifice air supply

圖3示出在中心區域下不同高度、不同風量下的溫度分布。從圖3，4可以看出，不同的送風量方式下環境室在3個不同高度的溫度分布都比較均勻，工作區域的溫差均控制在1 ℃以內，相同工作高度下靠近空氣處理柜附近的工作區域（區域2）溫度會略低一些。相較2 900 m3/h風量情況，高風量方式下的環境室氣流混合更快，溫度分布更均勻，中間工作區的溫度更接近送風溫度，各區域間的最大溫差更小，但3種風量方式均滿足環境室的溫度分布要求。從圖7中可看出，4 600 m3/h風量送風時各個溫度截面的溫度更低，截面間的溫差更小。2 900 m3/h時由于送風風速小，冷空氣沒有很好的下送，在近孔板側的溫度低，而近地面工作區的溫度高。

從圖5和6可以看出，不同送風量方式下環境室在3個不同高度的速度分布都比較均勻。風量越大，各個水平高度面的平均風速也就越大。3種送風量方式均滿足環境試驗室的工作需求。送風風量越大，整體環境的氣流速度越大。環境室下方工作區域由于受到空氣處理柜回風口的影響而氣流流速大。由圖8可以看出，相較其他2個風量送風情況，4 600 m3/h風量下送風整體環境的氣流速度更大，但整體環境的氣流分布也更加均勻，房間氣流速度衰減快，混合過程短，符合孔板送風特點。

3 試驗研究

根據模擬結果，搭建人工試驗環境室。由于高風量送風方式下環境室空氣循環次數更多，速度場和氣流分布更加均勻，能夠更好地滿足試驗室要求，所以本次搭建的環境室選取4 600 m3/h和3 700 m3/h兩種風量送風方式進行實際送風，并進行實際試驗測試。根據模擬結果并結合實際現場試驗測試（Testo熱敏式風速儀，精度為±0.05 m/s+5%測量值），得到除頂端孔口出風處及回風口區域，1.2 m工作高度平均溫度在0.1 m/s左右，遠小于環境試驗室所需的0.5 m/s的要求。故實際試驗測試主要針對環境室的溫度分布展開。

為了反映局部送風下環境室的溫度真實分布情況，對于環境室的溫度場分布進行了試驗測試。本文將環境室的中間工作區劃分為9個小區域［17-18］，分別在各個區域的 0.6，1.2，1.8 m 處懸掛布置熱電偶（T型熱電偶，標定的精度在±0.1 ℃）進行溫度測試。環境室小區域劃分如圖9所示。

圖9 中間工作區域劃分Fig.9 Division of intermediate working area

如圖9所示，每個區域占地面積1.44 m2，總工作區域面積為12.96 m2。根據實際試驗要求，測試了不同送風量方式下的環境室溫度分布。試驗對于溫度數據的采集使用均值估讀法，對于不斷變化的溫度數據取一個平均值進行記錄。在試驗測試過程存在外界因素的干擾，對于部分數據可能產生影響，在數據處理過程中對于一些誤差點進行一些簡單修正，對于一些問題數據進行剔除［10］。

將模擬結果取點數據進行繪圖，可以得到模擬溫度分布，如圖10所示。

圖10 工作區域模擬溫度分布Fig.10 Simulated temperature distribution in working area

各個區域的溫度測試結果如圖11所示。如表1中所示，在工作高度1.2 m下，4 600 m3/h風量送風方式在中間工作區域間的平均溫度為20.43 ℃，區域間最大溫差為0.53 ℃；而3 700 m3/h風量送風方式在中間工作區域的平均溫差為20.75 ℃，區域間最大溫差為0.34 ℃，二者均滿足環境室溫度要求，且高風量方式送風具有更好的溫度分布均勻性。

表1 不同風量方式下試驗模擬對比值Tab.1 Comparison between test values and simulation values under different air volume modes

圖11 不同送風風量下溫度分布Fig.11 Temperature distribution under different air volumes

不同風量下，各房間不同高度之間試驗測試與仿真模擬的最大溫差對比如圖12所示。由于仿真模擬中對于某些邊界條件進行了一定的簡化，因此得到不同高度下的最大溫差要小于試驗測試的結果，但總體上仿真與試驗測試結果能夠較好的吻合。

圖12 不同高度間最大模擬試驗溫差Fig.12 Maximum test temperature difference between simulated values and experimental values under different heights

但在實際操作時，高風量送風方式存在噪聲較大的問題。根據實際測試，采用高風量4 600 m3/h送風時噪聲值為65.1 dB（A）；而低風量3 700 m3/h時噪聲值為58.4 dB（A），2種風量下噪聲差值為6.7 dB（A）。所以低風量方式下運行空氣處理柜產生的噪聲更小，具有更好的舒適性。因此在滿足工作條件的情況下，高風量方式可用來實現不同溫度工況的快速切換，實現快速升降溫；而低風量方式下噪聲較小，能滿足溫度分布均勻性的設計要求，并具有一定的舒適性。

4 結論

（1）根據家電能效測試環境標準和試驗環境室設計要求對環境室進行了模擬設計，模擬對比了3個不同送風風量下的環境室溫度、速度分布，并確定了環境室最終設計的送風風量為4 600 m3/h和3 700 m3/h。

（2）根據模擬結果，搭建試驗室并進行試驗。試驗結果表明4 600 m3/h風量送風下中間工作區域間的最大溫差為0.53 ℃，平均溫度工作區域溫度為20.45 ℃；3 700 m3/h風量在中間工作區域最大溫差為0.34 ℃，平均溫度工作區域溫度為20.75 ℃，溫度分布均勻性滿足設計要求。通過試驗模擬結果比對，模擬結果和試驗結果有良好的吻合性。在滿足工作條件的條件下，高風量方式可用來實現不同溫度工況的快速切換，實現快速升降溫；而低風量方式下噪聲較小，噪聲值為58.4 dB（A），噪聲降低6.7 dB（A），能滿足溫度分布均勻性的設計要求，并具有一定的舒適性。

（3）本文采用模擬與試驗相結合的方法，有效說明了CFD軟件模擬可以幫助環境室進行整體的優化設計。