鄭曉騰，劉金平,2，許雄文,2，劉凱，王宇潔

（1.華南理工大學(xué)，廣州 510640； 2.廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

引言

我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，產(chǎn)品性能可靠性檢驗(yàn)越來(lái)越受到重視，對(duì)產(chǎn)品在某一特定環(huán)境下的性能指標(biāo)測(cè)試需求增大[1-4]。環(huán)境試驗(yàn)中，高低溫試驗(yàn)箱是應(yīng)用最廣的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、電氣設(shè)備、汽車等領(lǐng)域[5-7]。高低溫試驗(yàn)箱以可控的溫變速率實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度變化和恒定，可以創(chuàng)造溫度范圍在（-70 ～+150）℃的人工環(huán)境，對(duì)投出使用前的產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度場(chǎng)分布不均超過(guò)一定范圍會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的溫度試驗(yàn)條件無(wú)法達(dá)到一致，從而給試驗(yàn)樣品溫度分布產(chǎn)生影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾導(dǎo)致可靠性降低，實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)性變差甚至實(shí)驗(yàn)失敗[8]。 高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度的升高、降低和維持等是通過(guò)箱內(nèi)循環(huán)氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此氣流組織決定了箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布，不同的氣流組織會(huì)使得試驗(yàn)箱內(nèi)溫度場(chǎng)分布不同、均勻性不同。國(guó)內(nèi)外對(duì)氣流組織有大量的研究，劉強(qiáng)[9]設(shè)計(jì)了一款高低溫試驗(yàn)箱，利用數(shù)值分析優(yōu)化入口參數(shù)，進(jìn)而改善內(nèi)部溫度均勻性。劉海燕等[10]對(duì)大型的UC240 環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行研究，利用CFD 方法證明了試驗(yàn)箱內(nèi)氣流組織與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合傳熱是可行的。鄧家一[11]運(yùn)用響應(yīng)面分析和靈敏度分析對(duì)進(jìn)風(fēng)口處的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)同一平面九個(gè)區(qū)域的流量的影響進(jìn)行了討論，通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法建立流量?jī)?yōu)化模型求解送風(fēng)最佳角度值和進(jìn)風(fēng)口邊界距離改善試驗(yàn)箱的均勻性。馮加模等[12]設(shè)計(jì)了一種霧霾環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置，為實(shí)現(xiàn)煙霧均勻分布對(duì)箱體內(nèi)部風(fēng)機(jī)的安裝位置和工作參數(shù)進(jìn)行了研究，分析了送風(fēng)方式和送風(fēng)角度對(duì)流場(chǎng)特性的影響。李毅華等[13]以內(nèi)箱體積576 L 的高低溫試驗(yàn)箱作為研究對(duì)象，研究不同風(fēng)速對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)試驗(yàn)區(qū)溫變速率、溫度場(chǎng)及能量利用系數(shù)的影響。Pedro 等[14]等研究了不同送風(fēng)工況下冷柜內(nèi)部氣流組織的差別，分別對(duì)不同送風(fēng)速度及方向、溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同工況下內(nèi)部氣流組織差別較大，冷柜內(nèi)溫度環(huán)境的好壞很大程度受到送風(fēng)條件的影響。Wu 等[15]使用縮減比例模型和CFD 預(yù)測(cè)對(duì)裝載有球形物體的通風(fēng)托盤的典型冷藏車配置內(nèi)的氣流模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。有送風(fēng)管道系統(tǒng)的情況下，車輛通風(fēng)的均勻性得到大幅改善。Zhang等[16]研究了不同送風(fēng)坡度、不同送風(fēng)風(fēng)速對(duì)ASWC 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部空氣流場(chǎng)的影響，綜合考慮了空氣均勻性指標(biāo)、壓降指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)60 °坡度的送風(fēng)管性能最好。

對(duì)高低溫試驗(yàn)箱的數(shù)值模擬離不開(kāi)速度場(chǎng)，速度場(chǎng)模擬的正確與否，對(duì)于數(shù)值模擬得到的其他結(jié)果例如溫度、質(zhì)量流量、熱負(fù)荷等有著一定的影響。目前對(duì)于高低溫試驗(yàn)箱的試驗(yàn)研究多在溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)的試驗(yàn)研究并不多。本文以市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的1 000 L 高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行研究，對(duì)其進(jìn)行箱內(nèi)的速度場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 物理模型

試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。試驗(yàn)區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸為1 m×1 m×1 m，風(fēng)道尺寸為0.13 m×0.215 m×1 m，風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處有圓角起到導(dǎo)流減少壓力損失的作用。風(fēng)機(jī)為多翼離心風(fēng)機(jī)，左右各分布一個(gè)共兩個(gè)，風(fēng)機(jī)出口的尺寸為0.179 m×0.1 m，兩個(gè)風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量共18 m3/min。百葉導(dǎo)板裝置左右各分布一個(gè)，與風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)，與垂直方向的夾角為30 °，前傾向試驗(yàn)區(qū)。百葉導(dǎo)板分為前導(dǎo)葉部分和后導(dǎo)葉部分，紅色部分為前導(dǎo)葉，有10 片，可以調(diào)節(jié)風(fēng)左右流動(dòng)的方向，橙色部分為后導(dǎo)葉，有4 片，可以調(diào)節(jié)風(fēng)上下流動(dòng)的方向?；仫L(fēng)口為7 行28 列尺寸0.025 m×0.025 m 的正方形矩陣柵格，橫向間距0.003 6 m，縱向間距0.003 4 m。送風(fēng)方式為同側(cè)上送風(fēng)下回風(fēng)，試驗(yàn)箱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，空氣被多翼離心風(fēng)機(jī)吸入后吹出，經(jīng)過(guò)風(fēng)道轉(zhuǎn)彎后通過(guò)百葉導(dǎo)板吹入試驗(yàn)區(qū)，與試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的樣品進(jìn)行充分的熱交換后，通過(guò)試驗(yàn)區(qū)底部的柵格回風(fēng)口吹出，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫恢復(fù)到原溫度后再次被多翼離心風(fēng)機(jī)吸入，循環(huán)往復(fù)。

圖1 試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 速度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

風(fēng)速儀采用支持無(wú)線聯(lián)接TESTO 405i熱敏式風(fēng)速儀，探測(cè)桿可伸縮彎折，在（0～2）m/s 的風(fēng)場(chǎng)下測(cè)試的精度為±0.1 m/s+5 %測(cè)量值，測(cè)量范圍（0～30）m/s，適用環(huán)境溫度范圍為（-20～+50）℃。數(shù)據(jù)采集儀器為平板電腦或智能手機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙將熱線風(fēng)速儀的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)直接傳到專門的app。熱線風(fēng)速儀數(shù)量為9 個(gè)。測(cè)試時(shí)，為盡量減少風(fēng)速儀儀器裝置對(duì)風(fēng)場(chǎng)的干擾，將風(fēng)速儀探頭桿彎折為水平方向，手柄為垂直方向，通過(guò)固定裝置將熱敏式風(fēng)速儀固定在置物架上，保持測(cè)試探頭方向垂直于地面，測(cè)量通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直分速度，實(shí)際測(cè)試圖如圖2 所示。

圖2 實(shí)際測(cè)試圖

風(fēng)機(jī)風(fēng)量為18 m3/min，風(fēng)量的確定對(duì)于速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及后續(xù)的數(shù)值模擬工作至關(guān)重要，首先進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試校核實(shí)驗(yàn)。

分別測(cè)試通過(guò)箱內(nèi)距內(nèi)箱底0.4 m、0.5 m、0.65 m、0.8 m（以下簡(jiǎn)稱Plane0.4、Plane0.5、Plane0.65、Plane0.8）的平面的風(fēng)量。將各高度平面等分為9 個(gè)區(qū)域，以每個(gè)區(qū)域的幾何中心作為測(cè)試點(diǎn)，則有3 行3 列共9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。從左到右第一列為點(diǎn)1～3，第二列為點(diǎn)4～6，第三列為點(diǎn)7～9，靠近送回風(fēng)口一側(cè)的點(diǎn)分別為點(diǎn)1/4/7，靠近箱門一側(cè)的點(diǎn)為點(diǎn)3/6/9。從每個(gè)點(diǎn)近似代表風(fēng)通過(guò)該區(qū)域的平均垂直分速度，整個(gè)高低溫試驗(yàn)箱的風(fēng)量計(jì)算如式（1）所示。

式中：

vi—區(qū)域內(nèi)測(cè)試點(diǎn)的垂直分速度，

Ai—該區(qū)域面積。

將百葉導(dǎo)板前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)為90 °、后導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)為60 °后保持不變，實(shí)驗(yàn)單獨(dú)打開(kāi)試驗(yàn)箱的送風(fēng)系統(tǒng)即兩個(gè)離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行后關(guān)上試驗(yàn)箱的門，待半個(gè)小時(shí)后認(rèn)為箱內(nèi)流場(chǎng)已穩(wěn)定，開(kāi)始采集5 min 的數(shù)據(jù)，采樣間隔為1 s，每個(gè)點(diǎn)共采集300 個(gè)數(shù)據(jù)。

Plane0.5 上測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)4 的垂直分速度采樣數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3 可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量的速度隨時(shí)間的波動(dòng)較大，證明試驗(yàn)箱內(nèi)的速度場(chǎng)無(wú)法達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，而是相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。單獨(dú)取某一時(shí)刻的速度作為該點(diǎn)的速度并不具有代表性且可能偏差很大。

圖3 Plane0.5 上9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)速度

將測(cè)試點(diǎn)4 進(jìn)行60 s 內(nèi)平均處理，則測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)4 在60 s 內(nèi)時(shí)均垂直分速度如圖4 所示。由圖可知，處理后的垂直分速度波動(dòng)范圍小于0.15 m/s。時(shí)均后的數(shù)據(jù)波動(dòng)減小，更具有代表性和準(zhǔn)確性。所有測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行60 s 時(shí)均處理。

圖4 Plane0.5 上9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)60 s 內(nèi)時(shí)均速度

該1 000 L 高低溫試驗(yàn)箱的氣流組織形式為同側(cè)上送風(fēng)下回風(fēng)，百葉導(dǎo)板前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)為90 °、后導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)為60 °，由于百葉導(dǎo)板裝置向試驗(yàn)區(qū)前傾30°，則后導(dǎo)葉方向?yàn)樗椒较?。風(fēng)將通過(guò)百葉導(dǎo)板水平射入試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)將產(chǎn)生回流[17-20]，回流部分出現(xiàn)在靠近送回風(fēng)口一側(cè)。故將點(diǎn)1/4/7 所測(cè)的垂直分速度數(shù)值取負(fù)。

四個(gè)平面的測(cè)試點(diǎn)的60 s 時(shí)均垂直分速度如表1 所示，單 位m/s。Plane0.4、Plane0.5、Plane0.65、Plane0.8平均風(fēng)速分別為0.25 m/s、0.27 m/s、0.34 m/s、0.37 m/s，則風(fēng)量分別為15 m3/min、16.2 m3/min、20.4 m3/min、22.2 m3/min，平均風(fēng)量為18.45 m3/min。

表1 各平面測(cè)試點(diǎn)速度

將Plane0.4 進(jìn)行更細(xì)致的劃分，布置更多的點(diǎn)進(jìn)行速度測(cè)試，均勻選取6 行5 列共30 個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)陣與箱內(nèi)壁的距離為0.15 m，行距為0.14 m、列距為0.175 m。從左到右第一列為點(diǎn)1～點(diǎn)6，第二列為點(diǎn)7～點(diǎn)14，以此類推，靠近送回風(fēng)口一側(cè)的點(diǎn)為點(diǎn)1/7/13/19/25，靠近箱門側(cè)的點(diǎn)為點(diǎn)6/12/18/24/30。30 個(gè)點(diǎn)分4 次完成測(cè)量，同樣將數(shù)據(jù)進(jìn)行60 s 時(shí)均處理，并將第一、二行所測(cè)數(shù)值取負(fù)，30 個(gè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)60 s 時(shí)均處理后的垂直分速度見(jiàn)表2。由表2 可知，第一列和第五列，第二列和第四列的數(shù)據(jù)接近，可以認(rèn)為箱內(nèi)氣流組織大致是左右對(duì)稱的。30 個(gè)點(diǎn)的平均垂直分速度為0.26 m/s，布置9 個(gè)點(diǎn)測(cè)試的平均垂直分速度為0.25 m/s，證明上述均勻布置9 個(gè)點(diǎn)以獲得風(fēng)量的方案可行。

表2 Plane0.4 內(nèi)30 個(gè)測(cè)試點(diǎn)速度

3 數(shù)值模擬計(jì)算

高低溫試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱的，故在建模時(shí)先對(duì)高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行對(duì)稱處理，取試驗(yàn)箱的一半來(lái)建模研究即可。物理模型先通過(guò)ANSYS SCDM 建模，百葉導(dǎo)板前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)90 °，后導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)60 °模型如圖5所示。將模型導(dǎo)入到ANSYS ICEM 中，將百葉導(dǎo)板設(shè)置為internal wall，網(wǎng)格尺寸初定為10 mm 的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過(guò)轉(zhuǎn)換網(wǎng)格種類功能將大部分內(nèi)部流體域轉(zhuǎn)換為10 mm×10 mm×10 mm 的六面體網(wǎng)格，而箱壁仍保留為四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量最低為0.27，網(wǎng)格數(shù)約為145 萬(wàn)。

圖5 簡(jiǎn)化后物理模型

3.1 條件假設(shè)

高低溫試驗(yàn)箱中氣流運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)，湍流模型選用k-ε 標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力- 速度耦合采用SIMPLE 方法。本文只研究高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)的速度場(chǎng)，不涉及熱量傳遞，不開(kāi)啟能量方程。模型壁面和百葉導(dǎo)板材料默認(rèn)設(shè)為鋁固體材料。箱內(nèi)空氣密度為1.225 kg/m3，粘度為1.789 4×105kg/（m·s）。為了便于后續(xù)的模擬計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，忽略一些對(duì)主要問(wèn)題影響不大的細(xì)節(jié)。試驗(yàn)箱內(nèi)壁忽略凸起置物架固定裝置，視為平板。本文模擬前做出以下假設(shè)：①試驗(yàn)箱內(nèi)箱不存在漏氣漏熱等問(wèn)題，氣密性和絕熱性良好。②將風(fēng)機(jī)出口（風(fēng)道入口）和柵格回風(fēng)口之間的設(shè)備如蒸發(fā)器、電加熱器、多翼離心風(fēng)機(jī)等忽略，將內(nèi)箱外的設(shè)備忽略。③空氣不可壓縮，忽略物體粘性力做功，不考慮重力影響。④壁面和百葉導(dǎo)板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為無(wú)厚度面，不考慮壁面的導(dǎo)熱。⑤忽略百葉導(dǎo)板中基本不影響的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如連接導(dǎo)葉與導(dǎo)板裝置的細(xì)金屬條。

在模型中任取一點(diǎn)作為監(jiān)控點(diǎn)，在試驗(yàn)箱內(nèi)任意高度水平面內(nèi)截取部分面積作為監(jiān)控流量的面。當(dāng)速度、能量、湍流度的殘差小于0.001，且監(jiān)控點(diǎn)速度、空氣流過(guò)監(jiān)控截面的質(zhì)量流量不變或保持小范圍周期性波動(dòng)時(shí)，即認(rèn)為數(shù)值模擬的仿真結(jié)果達(dá)到收斂。

3.2 邊界條件設(shè)置

單個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量在9 m3/min，進(jìn)口截面尺寸為0.18 m×0.1 m，則垂直進(jìn)口截面平均速度為8.33 m/s。模型進(jìn)口設(shè)置為速度入口，湍流強(qiáng)度和粘度比分別為5 %和10%。因模型入口為多翼離心風(fēng)機(jī)的出口，多翼離心風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)速不均勻，風(fēng)向也不是垂直吹出[15-21]。將進(jìn)口速度截面分為4 個(gè)部分，區(qū)域面積比為1 ∶2 ∶2 ∶1，速度大小比為1 ∶2 ∶3 ∶1。根據(jù)蝸殼出口處渦線的形狀，風(fēng)速與進(jìn)口截面夾角定為41 °、57 °、73 °、90 °，則垂直進(jìn)口邊界的分速度分別為2.8 m/s、7.14 m/s、12.2 m/s、8.5 m/s，另一分速度分別為3.19 m/s、4.63 m/s、3.74 m/s、0 m/s。進(jìn)口出口設(shè)置為壓力出口，壓力值設(shè)置為0 Pa。高低溫試驗(yàn)箱中間截面設(shè)置為symmetry 對(duì)稱面。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

圖6 為穩(wěn)態(tài)模擬下速度場(chǎng)的3D 跡線圖。由圖6 可知，試驗(yàn)區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的回旋渦流，這是因?yàn)閺陌偃~導(dǎo)板流出時(shí)風(fēng)速較快，沒(méi)有下沉，形成貼壁射流，貼壁射流沿著箱頂流動(dòng)，撞擊箱門內(nèi)壁后向下流動(dòng)，到試驗(yàn)箱下部區(qū)域后由回風(fēng)口的抽吸作用吸走，因?yàn)橹虚g區(qū)域不可能真空，所以會(huì)有部分空氣在靠近送回風(fēng)口一側(cè)的區(qū)域往上流動(dòng)形成渦流后再?gòu)幕仫L(fēng)口吹出。圖7 為Plane 0.4 的z 方向分速度的分布圖，由圖可知，箱門內(nèi)壁和送回風(fēng)一側(cè)內(nèi)壁的區(qū)域風(fēng)速比較大，中間風(fēng)速較低。

圖6 3D 跡線圖

圖7 z 方向分速度分布圖

選取該平面與實(shí)驗(yàn)位置對(duì)應(yīng)的30 個(gè)布置點(diǎn)并讀取這些點(diǎn)的z 方向分速度，如表3 所示。

表3 Plane0.4 內(nèi)30 個(gè)測(cè)試點(diǎn)速度

Plane0.4 內(nèi)30 個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)如圖8所示。平均誤差由式（2）計(jì)算，為0.35 m/s。由速度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該平面垂直分速度的變化范圍為（-0.67～1.55）m/s，則平均相對(duì)誤差為15.7 %。

圖8 實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

式中：

ai—實(shí)驗(yàn)值；

bi—模擬值。

誤差來(lái)源可能是熱線風(fēng)速儀傳感器的誤差、建模中風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速和方向的設(shè)置不夠細(xì)致導(dǎo)致與風(fēng)機(jī)實(shí)際出風(fēng)情況不一樣、模擬模型忽略了實(shí)際高低溫試驗(yàn)箱的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如固定置物架的凸起結(jié)構(gòu)等原因所致。

4 結(jié)論

1）在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)不同高度平面內(nèi)均勻布置9 個(gè)速度測(cè)試點(diǎn)并通過(guò)加權(quán)平均算高低溫試驗(yàn)箱的風(fēng)量方法是可行的，有效的。

2）均勻布置30 個(gè)速度測(cè)試點(diǎn)所算得的風(fēng)量與均勻布置9 個(gè)速度測(cè)試點(diǎn)所算得的風(fēng)量結(jié)果相差3.8 %。證明均勻布置的9 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的位置具有一定代表性。

3）Plane 0.4 內(nèi)30 個(gè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與數(shù)值模擬值的大致趨勢(shì)接近，且平均誤差在15 %左右。實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)果具有可靠性、準(zhǔn)確性。

4）高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)會(huì)存在明顯的回旋渦流現(xiàn)象，近內(nèi)壁處風(fēng)速大，中間區(qū)域風(fēng)速小。