低溫工況下高低溫環境試驗箱入口參數研究

李東生，陳清華，王建剛, ，王皖楠

（1.安徽理工大學機械工程學院，淮南 232001； 2.廣東立佳實業有限公司，東莞 523000）

引言

高低溫環境試驗箱工作室溫度場的均勻性是環境試驗結果準確性的重要影響因素之一[1,2]。為研究高低溫環境設備工作室氣流組織對溫度均勻性的影響，國內外學者進行了大量相關研究。J.Sun等[3]研究了空氣幕對開放式垂直冷藏柜性能的影響。孟祥麟等[4]對一種新型冰箱內部進行溫度場分析，并結合實驗數據提出減少熱量損失的方法。趙秀紅等[5]對自行設計的多溫區恒溫箱進行溫度場均勻性研究。Zhang Chaolei等[6]使用數值模擬方法，分析家用冰箱內部突出結構對氣流循環和傳熱的影響。曾憲順等[7]對間冷式酒柜進行研究，結果表明增強空氣的湍流強度有利于提高溫度場均勻性。Wang Liming等[8]使用多孔階躍模型，并對自動開關機循環工況下冷飲柜工作室氣體流動和溫度變化進行數值模擬。E.S?ylemez等[9]通過數值模擬和實驗驗證的方法確定了混合型家用冰箱熱電制冷器安裝的最佳位置。白通通等[10]使用三維穩態的SST k-ω湍流模型研究冷藏庫內流場的分布特性及貨物的冷卻效果，發現豎壁貼壁送風可以獲得更均勻的溫度場和速度場。王志奇等[11]采用CFD數值模擬方法研究熱風循環隧道烘箱內部流場及溫度分布，并進行結構優化。

在現有的研究中，對于高低溫環境設備送風角度和送風速度對工作室溫度場均勻性影響的研究較少。以高低溫環境試驗箱為研究對象，建立工作室三維模型，對不同進風角度和進風速度下的流場和溫度場進行數值模擬，為高低溫環境試驗箱的設計生產提供理論指導。

1 高低溫環境試驗箱送風模式

高低溫環境試驗箱是通過氣流實現工作室內熱量交換的試驗設備，采用合理的送風模式可以降低外界環境對工作室溫度場的干擾，增加溫度場的穩定性，降低試驗過程中的溫度波動。

常見高低溫環境設備的送風模式分為豎直均勻送風、水平均勻送風和貼壁送風三種。圖1（a）為豎直均勻送風，氣流從工作室頂部進入。這種送風方式適用于長距離送風，但是近壁面處的溫度均勻性難以保證，易受外界溫度條件的影響。圖1（b）為水平均勻送風，與豎直均勻送風具有相似的優缺點，但在短距離送風條件下氣流不易受到重力的影響。圖1（c）為貼壁送風，氣流從工作室后方上部進入并形成環流將工作區中心區域與換熱壁面隔開，可以降低換熱壁面對溫度場的影響。但在工作室體積較大時所需的進風速度較高，工作室流場處于大雷諾數的復雜湍流狀態，溫度場的穩定性較差。

圖1 高低溫環境試驗箱送風模式

為了盡可能提高環境試驗箱工作室溫度場的均勻性，選擇貼壁送風模式，氣流從工作室后方上部進入工作室，從工作室后方下部流出。現實條件下理想的貼壁循環流動很難形成，因此有必要對進風速度和進風角度進行調整，以形成理想的貼壁循環。

2 數值模擬分析

2.1 基本假設

為了使工作室流場的數值計算能夠進行，必須對所研究的物理問題進行合理的簡化。本文對所研究的問題進行以下假設[12]：①試驗箱內的循環氣流低速不可壓縮，流動形式為湍流；②循環氣流與壁面發生自然對流換熱；③試驗箱內流體符合Boussinesq假設；④流體與壁面間的輻射換熱忽略不計。

2.2 建立物理模型

高低溫環境試驗箱內箱材料為SUS304，保溫材料為聚氨酯發泡板，試驗箱內部空間的尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，觀察窗尺寸為350 mm×500 mm，試驗箱中部使用兩個多孔層板將空間分為上、中、下三層，使用背板頂部進風、底部回風的送風模式。

圖2 高低溫環境試驗箱工作室結構

2.3 數學模型

貼壁循環的氣流組織形式有利于提高溫度場的均勻性，在貼壁送風中，氣流沖擊到壁面會發生彎曲，可以使用RNG k-ε、SST k-ω模型對氣流的彎曲現象進行修正，但是經驗表明SST k-ω模型的計算精度更高[13-14]。由于試驗箱內流體被視為低速不可壓縮流體，使用收斂速度較快的PISO算法、二階迎風離散格式的分離式求解方式，其具體控制方程如下[15,16]：

1）連續性方程

式中：

ρ—空氣密度；

t—時間；

u—速度矢量。

2）動量守恒方程

式中：

p—靜壓力；

F—微元所受質量力矢量；

μ—分子粘度；

I—單位張量。

3）能量守恒方程

式中：

T—溫度；

a—流體熱擴散率；

ST—粘性耗散項。

4）湍流模型

式中：

μt—湍流粘度；

ω—比耗散率；

y—微元體與壁面間的距離。

5）湍動能方程

式中：

ui—某一方向速度；

Pk—湍動能發生項；

β*、σk—湍流模型系數。

6）多孔階躍模型

多孔階躍模型實際上是對多孔介質模型的一維簡化，與整體多孔介質模型相比多孔階躍模型更健壯，穩定性和收斂性更好，多孔階躍模型的具體形式是達西定律和慣性損失項之和[17]。

式中：

φ—多孔介質滲透率，m2；

v—介質面的法向速度，m/s；

C2—壓降系數，1/m；

Δm—多孔介質的厚度，m；

Dp—孔板的平均直徑，m；

η—多孔板的孔隙率。

2.4 邊界條件

試驗箱入口溫度受到工作室溫度變化的影響，不是恒定的，將進口溫度隨時間變化的實驗數據擬合成公式，并編寫UDF函數。環境箱試驗區后部區域與蒸發器僅通過一層304不銹鋼板隔開，近似認為后壁面外環境溫度為蒸發器出口溫度。利用傳感器測量底部冷凝器的溫度并取平均值作為除后壁面外其他壁面外環境溫度。為了防止觀察窗玻璃在低溫下結霜，編寫UDF函數經驗性地選擇60 W的熱源在其周圍進行加熱，試驗箱內部多孔隔板設置為多孔階躍邊界條件，內部所有壁面均使用對流邊界條件，邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件

2.5 數值模擬結果分析

貼壁循環的氣流循環形式避免了試驗區中心與壁面發生直接的熱量交換，有利于試驗區流場的均勻性。進風角度過大不利于形成理想的貼壁循環，所以本文只對30 °、20 °、10 °的進風角度進行了研究。同時考慮到試驗箱使用過程中風速不應過大，所以本文只研究了3 m/s、4 m/s、5 m/s的進風風速。在對應進口角度和進口風速條件下，分別分析Y=0.1 m，Y=0.5 m和Y=0.9 m截面的溫度云圖和整個工作室流場的流線圖。

圖3是進風角度30 °進風速度分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s的流線圖和溫度云圖。從溫度云圖可以看出，試驗箱上部的溫度均勻性相對來說較差，觀察流線圖可以看出上部空間的流場存在由觀察窗處形成的回流，這部分回流將觀察窗處的熱量帶回上部空間，造成局部溫度明顯升高。對比三種風速工況下各截面的溫度云圖，明顯可以看出隨著風速的升高，試驗箱內溫度場的均勻性提高。

圖3 進風角度、進風速度流線圖及溫度云圖

圖4是進風角度為20 °，進風速度分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s時的流線圖和溫度云圖。對比分析三種速度工況下的溫度云圖可以發現速度的上升有利于試驗箱制冷效果的提升，但對于溫度場均勻性的改善不明顯。從流線圖中可以觀察到，試驗箱內上部流線比較稀疏，中下部流線比較密集，這說明中下部區域對流換熱更加充分，從溫度云圖中也可以看出中下部區域的溫度均勻性更好。

圖4 進風角度、進風速度流線圖及溫度云圖

圖5是在進風角度為10 °時，進風風速分別為3 m/s、4 m/s、5 m/s的流線圖和溫度云圖。對比三種風速下的流線圖可以觀察到，三種進風風速均可以形成較好的貼壁循環，氣流組織很好地將有效工作室包裹起來，降低了觀察窗玻璃四周恒功率熱源加熱的影響，試驗區總體溫度均勻性較好。但是在進風速度為3 m/s時，下部空間溫度均勻性較差，觀察流線圖可以發現下部空間的流線較為稀疏，可以理解為下部空間的流速較低，對流換熱不充分。觀察試驗箱中部溫度云圖可以發現靠近兩側壁面處存在明顯的溫度較高區域，造成這個現象的原因是壁面處的保溫材料厚度不夠，造成熱負荷較高。

圖5 進風角度、進風速度流線圖及溫度云圖

綜合對比進風角度為30 °、20 °、10 °的工況下，不同的進風速度的流線圖及溫度云圖，發現在較高進風速度和較小進風角度下整體溫度場的均勻性更加理想，同時增加進風速度有利于制冷效果的提升。

3 實驗驗證

為了驗證數值模擬結果的可靠性，保證數值模擬結果對高低溫環境試驗箱的設計生產具有指導意義，本文對試驗箱內部空間溫度場進行實測工作。

在試驗箱工作室內定出上中下三個水平測試面，簡稱上、中、下層。上層與工作室頂面的距離是工作室高度的1/10，中層通過工作室的幾何中心，參考國標GB/T 10586-2006 《濕熱試驗箱技術條件》溫度測點選擇9個[17]。測試點布置于三個測試面上，中心測試點位于工作室幾何中心，其余測點到工作室壁的距離為各自邊長的1/10[18]，如圖6所示。

圖6 測點布置示意圖

實驗平臺搭建如圖7所示，溫度使用Keithley數字儀表進行測量，使用手持式風速儀測量風速。將T型熱電偶參照圖布置到測試空間中，并對測點位置進行測量，測量結果如表2所示。另外在環境試驗箱外部設置一個溫度傳感器T9用于監測環境溫度。

圖7 實驗平臺

表2 各測點位置坐標

設置進風速度5 m/s，進風角度分別為10 °和30 °，實驗溫度為-70 ℃，在工作室溫度穩定之后，記錄30 min內各測點的溫度數據，采樣周期為1 min。根據10個測點的溫度數據，繪制曲線如圖8和圖9所示。試驗箱中的溫度均勻度按照式（11）計算[18]：

圖8 進風角度10 °穩定溫度趨勢

圖9 進風角度30 °穩定溫度趨勢

式中：

ΔTu—溫度均勻度，℃；

Tjmax—各測量點在第j次測量中的實測最高溫度值，℃；

Tjmin—各測量點在第j次測量中的實測最低溫度值，℃。

根據式（11）分別計算數值模擬和實驗結果的溫度均勻度，仿真結果表明進風角度為10 °時的溫度均勻性較進風角度為30 °時提升0.81 ℃，實驗結果表明進風角度為10 °時的溫度均勻性較進風角度為30 °時提升0.98 ℃。

最后對進風角度30 °和10 °時的數值模擬結果和實驗數據進行對比，發現兩者存在約為0.6 ℃的平均偏差，這是由于試驗箱溫度調節的滯后性導致的。數值模擬和實驗結果趨勢一致，說明本文采用的數值模擬方法是可行的。

4 結論

本文通過數值模擬分析了不同進風角度和進風風速對試驗箱工作室溫度場均勻性的影響，并與實驗數據進行了對比分析，得到如下結論：

1）較小的進風角度有利于形成貼壁循環，較大的進風速度可以使氣流組織在工作室前部的對流換熱更加充分，有利于提高試驗箱工作室溫度均勻性。

2）環境試驗箱兩側壁面處的熱負荷較高，造成溫度場的不均勻性增大，應適當增加保溫層厚度降低熱負荷。

3）通過數值模擬結果與實驗數據相對比，發現兩者存在一定差距，但是具有相同的趨勢，驗證了本文采用的數值模擬方法的可行性，為高低溫環境試驗箱的設計和生產提供理論指導。