基于PIV可視化的蓄冷板外圍流場優化研究*

夏晶晶，林詩濤，王飛仁，王廣海，黃遠廣，郭嘉明, 3

(1. 廣東機電職業技術學院，廣州市，510515； 2. 華南農業大學工程學院，廣州市，510642；3. 嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室茂名分中心，廣東茂名，525000)

0 引言

蓄冷技術利用夜間用電低谷充冷，白天放冷，具有節能環保等優點。相變材料(Phase Change Materials, PCM)利用自身相態變換進行蓄放冷，具有蓄冷量大、傳熱效率高、可重復使用等優點[1-3]，目前已應用于蓄冷運輸箱中[4]。蓄冷板主要有兩種類型：內部帶蒸發盤管的固定冷板和不帶蒸發盤管的活動冷板，冷板外形尺寸、結構對蓄冷性能的影響較大[5]。

華南農業大學研制的無源蓄冷溫控運輸箱利用活動的鋁合金蓄冷板存儲冷量，并將貨物區與蓄冷板隔開[6]，通過風機將蓄冷板的冷量經由循環風道引出至保鮮區，使環境溫度保持在適宜的范圍內[7-8]，具有運輸靈活[9]、保溫性能優良[10]、運行可靠[11]等優點，但蓄冷板形狀、進風流量等參數對蓄冷板對流換熱的影響尚未明確。

李健等[12]提出，交錯斜排列菱形翅片形狀的冷板在可調流量的散熱系統中的散熱效果最優。王燕令等[13]提出，不同截面形狀的冷板槽道在不同流動特征下的散熱效果不同，各工況下圓形通道散熱效果最差。粒子圖像測速技術作為一種非接觸式的瞬變全流場測量技術，能夠在同一時刻記錄場的速度傳播，提供流場空間結構流動以及信息特征[14]，可為蓄冷板對流換熱優化提供幫助。吳永忠等[15]等利用高速粒子測速系統(PIV)獲取了優化后風力提水機翼型的表面速度分布云圖和表面速度曲線。Dogan等[16]使用粒子圖像測速系統(PIV)對新型渦流發生器生成的渦流進行可視化，指出放置在通道內的兩個渦流發生器之間的橫向間距是增強傳熱效果的重要參數。Goktepeli等[17]使用粒子圖像測速系統(PIV)測量了不同雷諾數下肋板通道內的速度矢量和渦度等值線，指出增加湍流強度可增強通道內的傳熱效果。Steven等[18]使用PIV和熱電偶分別測量了矩形外殼內熔融PCM的二維速度場和溫度場，指出流體速度對液體PCM域內的熱傳輸和整體熔化速率及其模式有顯著影響。

綜上所述，在冷板換熱過程中，空氣與冷板對流換熱的效果與冷板的形狀和尺寸、空氣流動特征等因素有關，目前保鮮用蓄冷板的流場研究較少，因此有必要利用PIV對蓄冷板的外圍流場進行深入研究。蓄冷板外圍空氣流速是影響換熱效率和對流換熱系數的重要參數[19]，本文通過粒子圖像測速試驗臺獲取蓄冷板外圍空氣流動參數，為蓄冷板外圍流場優化提供參考，以期為提高蓄冷板的冷量釋放效率提供依據。

1 試驗裝置和測量設備

課題組自主搭建的粒子圖像測速系統如圖1所示，主要由管道風機、風道試驗臺、PIV測量系統和數據處理系統組成。

圖1 粒子圖像測速系統Fig. 1 Particle image velocimetry system1.激光發生器 2.激光發射器 3.空壓機 4.粒子發生器 5.管道風機 6.有機玻璃管道 7.導流網 8.進風口 9.風道試驗臺 10.蓄冷板 11.出風口 12.CCD相機 13.同步器 14.計算機

風道試驗臺的上蓋板和激光射入面的材料為透明亞克力板，以便于CCD相機的拍攝以及激光的透入，其余各面均由黑色啞光塑料板圍護而成，避免激光反光損壞CCD相機[20]。

在風道進風口處布置了蜂窩狀的導流網，使進口空氣形成層流，均勻地進入風道試驗臺內，并可通過調頻器調節風機的轉速，改變風道的進口空氣風速，進而改變進口空氣流量。風速由葉輪式風速儀標定，均勻標定進風口截面處五個位置的風速值并取平均得到進風風速和進風流量，波動在±0.1 m/s內視為標定完成。粒子圖像測速系統主要組成設備型號和參數如表1所示。

表1 測量系統主要組成設備型號和參數Tab. 1 Main equipment types and parameters of measurement system

2 流速測量方案

2.1 測量區域和測量結構參數

測量區域及拍攝平面的幾何參數如圖2所示，測量區域覆蓋整個風道試驗臺，尺寸(長×寬)約為：500 mm×130 mm。激光從蓄冷板背風面一側射入，拍攝平面為蓄冷板高度方向的一個水平二維截面，位于風道試驗臺的上蓋板以下，距離風道試驗臺底部約110 mm。

(a) 俯視圖

(b) 側視圖圖2 測量區域及拍攝平面示意圖Fig. 2 Schematic diagram of measurement area and plane1.進風口 2.片光源 3.出風口 4.激光 5.風道試驗臺 6.蓄冷板 7.拍攝平面

蓄冷板的形狀尺寸如圖3所示，蓄冷板迎風面的形狀分別為矩形、倒角和圓角，測量的主體結構為鋁合金蓄冷板殼體，尺寸(長×寬×高)約為：200 mm×20 mm×60 mm。

(a) 矩形迎風面 (b) 倒角迎風面 (c) 圓角迎風面圖3 蓄冷板形狀尺寸Fig. 3 Shape and dimension of cold storage plate

2.2 流體測量工況

根據蓄冷運輸箱中蓄冷板的應用環境[21]，并結合試驗條件和相關文獻，選取3個進風量：小流量Q0、中流量3Q0、大流量5Q0(Q0表示進風風速為1 m/s時的空氣流量)，以及3個擺放間距：2 cm、3 cm、4 cm。

為了探究不同影響因素對蓄冷板外圍流場的影響，設計了單蓄冷板和雙蓄冷板的流場測量試驗。進行單蓄冷板試驗過程中，保持進風流量不變，分別對單塊矩形、倒角、圓角蓄冷板進行流場測量，而后改變進風流量重復相同步驟，探究不同進風流量對蓄冷板流場的影響；進行雙蓄冷板試驗過程中，保持進風流量和蓄冷板之間的擺放間距不變，分別對兩塊矩形、倒角、圓角蓄冷板進行外圍流場測量，而后改變進風流量和擺放間距重復相同步驟，進行3因素3水平的試驗，探究進風流量、擺放間距對蓄冷板外圍流場的影響。單蓄冷板和雙蓄冷板試驗因素及水平分別如表2、表3所示。

表2 單蓄冷板試驗因素及水平Tab. 2 Test factors and levels of single cold storage plate

表3 雙蓄冷板試驗因素及水平Tab. 3 Test factors and levels of double cold storage plate

3 流場測量數據處理和結果

3.1 PIV測量數據的獲取與處理

采用Dynamic Studio 6.0軟件進行圖像標定、拍攝、數據采集和后處理等。獲得測量結果后，對測量區域中的無關、反光以及模糊的部分進行剔除，僅保留蓄冷板周圍的部分，然后對圖像進行相關算法和矢量化處理，獲得速度場云圖，并使用Tecplot 360 EX 2020 R1軟件對速度場云圖進行空氣流線可視化處理，顯示蓄冷板外圍空氣的流動特征。

使用PIV采集功能，如圖4(a)所示，提取空氣流體沿單塊蓄冷板上表面和下表面流動的速度數據，取平均值得到蓄冷板表面平均風速，作為評價空氣在單蓄冷板表面流動特性的依據；如圖4(b)所示，提取空氣沿雙蓄冷板間隙內上表面和下表面的0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm處共10個點位流動的風速數據，取平均值得到蓄冷板間隙通道內的表面平均風速，作為評價雙蓄冷板表面空氣流動特性的指標。

(a) 單蓄冷板表面風速提取

(b) 雙蓄冷板表面風速提取圖4 數據提取示意圖Fig. 4 Schematic diagram of data extraction process1.空氣進口 2.空氣出口 3.蓄冷板上表面 4.蓄冷板下表面 5.蓄冷板間隙上表面 6.蓄冷板間隙下表面

3.2 蓄冷板外表面速度場

不同進風量下，單塊蓄冷板外圍空氣的平均速度分布如圖5所示。由圖5可見，蓄冷板表面與空氣存在無效的接觸面積，包括蓄冷板的背風面、平均速度接近0 m/s的表面，這會導致蓄冷板表面對流換熱系數的降低[22]；隨著進風流量的增大，蓄冷板外表面空氣流速分布的不均勻性逐步增大。在小流量Q0和中流量3Q0情況下，空氣的平均速度輪廓和流線整體上沿蓄冷板兩側對稱分布，空氣流向和流速分布都較為均勻，表明粒子速度場穩定[23]。在大流量5Q0情況下，粒子速度場呈現紊亂狀態，流速分布不均勻，空氣流向不穩定，說明迎風面形狀對蓄冷板外圍流場的影響在大流量下更為顯著。

(a) 矩形:Q0、3Q0、5Q0

(b) 倒角:Q0、3Q0、5Q0

3.3 PIV截線上的流速分析

3.3.1 單蓄冷板表面空氣流速分析

以蓄冷板迎風面為起始點，沿長度方向每間隔50 mm提取單蓄冷板上表面和下表面的速度并計算平均值，不同進風流量下蓄冷板的表面平均風速分布如圖6所示。

根據空氣沿蓄冷板表面分布的情況，將整個蓄冷板外表面分為三個階段：入口段(0～50 mm)、穩定段(50～150 mm)和出口段(150～200 mm)。由圖6可見，蓄冷板的迎風面形狀影響表面平均風速的大小和分布，且進風流量越大，影響作用越明顯，這是由于空氣從進風口進入風道后，與不同迎風面形狀的蓄冷板發生交匯碰撞后向兩側擴散的程度不同；由圖6(a)可見，在小流量Q0工況下，矩形和倒角蓄冷板的入口段表面平均風速分布整體上高于其他階段的表面平均風速，穩定段和出口段的表面平均風速分布較均勻。整個階段內矩形蓄冷板的表面平均風速高于倒角和圓角蓄冷板的表面平均風速；由圖6(b)可見，在中流量3Q0工況下，迎風面為圓角的蓄冷板表面平均風速分布出現波動，整個階段內存在較明顯的不均勻性，矩形蓄冷板的表面平均風速普遍高于倒角和圓角蓄冷板的表面平均風速；由圖6(c)可見，在大流量5Q0下，由于進風流量較大，空氣進入風道后不穩定，受到蓄冷板迎風面的反作用力后易產生紊流，蓄冷板表面平均風速波動劇烈，入口段的表面平均風速較小，明顯低于其他階段的表面平均風速，空氣進入穩定段和出口段后表面平均風速回升，其中圓角蓄冷板的表面平均風速上升最大，相比于其他兩種迎風面形狀的蓄冷板，在大進氣流量的情況下更有利于空氣在其表面快速流動，從而能夠更好地促進對流換熱[24]。綜上所述，在單蓄冷板試驗中，在小流量Q0和中流量3Q0工況下采用矩形迎風面的蓄冷板能達到最優的對流效果，在大流量5Q0工況下采用圓角迎風面的蓄冷板能達到最優的對流效果。

(a) 小流量Q0

(b) 中流量3Q0

(c) 大流量5Q0圖6 不同流量下的單蓄冷板表面平均風速Fig. 6 Average air velocity of the surface of single cold storage plate under different flow rate

3.3.2 雙蓄冷板表面空氣流速分析

為進一步分析雙蓄冷板表面空氣平均速度的均勻性，引入標準差σ。標準差反映了組內個體間的離散程度，σ越大，說明不均勻性越大，反之越均勻[25]。

(1)

式中：Ui——各測點的風速，m/s；

根據統計得到的每組試驗中雙蓄冷板間隙內的表面平均風速及其標準差如表4所示。

表4 試驗設計及結果統計表Tab. 4 Statistical graph of test design and results

由表3可見，隨著進風流量的增大，蓄冷板間隙內的表面平均空氣流速呈先上升后下降的趨勢，以雙圓角蓄冷板間距4 cm為例，小流量Q0、中流量3Q0、大流量5Q0工況下的表面平均風速分別為0.51 m/s、1.82 m/s、1.29 m/s，在3Q0下最大。蓄冷板表面平均風速出現拐點的原因可能是進風流量增大后，穿過間隙通道中心和兩側的空氣量增大，表面風速得到提高，但流速過大時，在通道中心形成了高風速區，同時在間隙通道兩側形成速度分層現象，導致表面平均風速下降。由此可見，對于優化換熱流場來說，進風流量并非越大越好；在進風流量固定的情況下，隨著蓄冷板間距的增加，表面平均風速整體上呈增大的趨勢，這是由于間距的增大使得間隙通道的橫截面積增大，空氣能更順暢通過蓄冷板間隙，使得表面平均風速增大；隨著進風流量的增大，表面平均風速的標準差整體上呈增大的趨勢，蓄冷板間隙內的表面空氣流速越不均勻，這可能是由于間隙內的空氣在靠近蓄冷板壁面處產生了邊界層分離或回流，導致流速分布不均勻，且進風流量越大，這種回流和速度不均勻性越強。綜上所述，在雙蓄冷板試驗中，考慮到在保證標準差低于其平均值0.40的情況下，表面風速平均值達到最大，所得到的對流效果最優的參數組合為雙圓角蓄冷板、進風流量3Q0、擺放間距4 cm，其表面平均風速為1.82 m/s。

4 結論

利用粒子示蹤技術(Particle Image Velocimetry, PIV)對不同迎風面形狀、進風流量和擺放間距下的蓄冷板外圍空氣流動情況進行研究，結論如下。

1) 隨著進風流量的增大，蓄冷板外表面和間隙內的空氣流速不均勻性逐步增大。在小流量Q0和中流量3Q0下，蓄冷板外圍空氣平均流速沿蓄冷板兩側對稱分布，空氣流向和流速分布都較為均勻，在大流量5Q0下，粒子速度場呈現紊亂狀態，流速分布不均勻，空氣流向不穩定；蓄冷板間隙內的空氣流速標準差隨著進風流量的增大而增大。

2) 在單蓄冷板試驗中，蓄冷板的迎風面形狀影響表面空氣流速的大小和分布，且進風流量越大，影響作用越明顯。在小流量Q0和中流量3Q0工況下，采用矩形迎風面的蓄冷板能達到最優的對流效果，在大流量5Q0工況下，采用圓角迎風面的蓄冷板能達到最優的對流效果。

3) 在雙蓄冷板試驗中，蓄冷板間隙內的表面空氣流速隨著進風流量的增大呈先上升后下降的趨勢，隨著蓄冷板間距的增加呈增大的趨勢，得到對流效果最優的參數組合為雙圓角蓄冷板、進風流量3Q0、擺放間距4 cm，其表面平均風速為1.82 m/s。