吳 飛,李澤晨

(武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070)

涂裝是汽車制造四大工藝之一,由于噴漆室對于作業(yè)環(huán)境的特殊要求,需要噴漆室空調能夠穩(wěn)定高效的運轉。近年來隨著涂裝工藝設備的發(fā)展,對于噴漆室空調的研究逐漸引起學者重視,如對循環(huán)風空調系統(tǒng)的建設實現(xiàn)了節(jié)能降耗的效果[1-2]。空調系統(tǒng)的優(yōu)化集中于節(jié)能降耗和降低空調運行成本上[3-4],同時針對空調具體的零部件結構進行優(yōu)化設計[5-6],通過CFD(computational fluid dynamics)的方法對送風狀態(tài)進行模擬和研究,達到提高流場分布狀態(tài)的效果[7-8]。目前研究人員對于工業(yè)空調系統(tǒng)的研究,主要集中于廠房內部氣流組織狀態(tài)和空調內部的設備如換熱器等部件。對于工業(yè)現(xiàn)場空調室體內部氣流狀態(tài)的CFD仿真研究較少。

筆者將研究噴漆室空調的結構組成及功能,通過仿真計算對室體內部流場存在的問題進行研究,實驗證明仿真方法的可行性,最后提出優(yōu)化評判指標并進行結構優(yōu)化設計。

1 空調流場分析與實驗驗證

1.1 空調模型建立和流場評價指標

以噴漆室循環(huán)風空調為研究對象,其布局及結構如圖1所示。右側風機為空調的入風風機,空氣由此進入空調室體內,左側風機為出風風機,將空調處理后的空氣送入噴漆室。循環(huán)風空調主要組成部件包括:空調室體、供風風機及電機、風管、風閥、表冷器、表熱器和溫度傳感器等。經(jīng)過對空調室體結構尺寸的實地測量,建立三維模型,其示意圖如圖2所示。將模型導入到前處理軟件ICEM(integrated computer-aided engineering manufacturing)中進行網(wǎng)格劃分,最大網(wǎng)格單元尺寸為70 mm,共有網(wǎng)格數(shù)量623 344個,網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為583 202,網(wǎng)格正交質量最小值為1,最大橫縱比為2,最小角度為85°,整體網(wǎng)格質量(Quality)較好,可以用于后續(xù)的流場計算。

圖1 噴漆室循環(huán)風空調結構布局

圖2 空調室體模型示意圖

根據(jù)空調室體的結構特點,從溫度和速度均勻性角度來梳理相關評價指標,采用的評價方法為相對均方根法[9],其表達式如下:

(1)

將式(1)中溫度換為速度,即可表示為速度均勻性指標Uv。當UT越大時表示各測點溫度與設定值偏差越大,均勻性程度越差;UT越小時,均勻性程度越好。

1.2 仿真計算與流場分析

使用Fluent軟件對流場進行定常模擬,設置入口邊界條件,由實測結果可得入口溫度為22.8℃,入口速度為8 m/s,其速度方向用矢量表示為(-1,0,0)。湍流模型選擇Realizable k-ε雙方程模型,近壁面處理方法采用標準壁面函數(shù),模擬計算使用SIMPLEC求解算法,同時啟用能量方程和重力選項。表冷器和表熱器采用多孔介質模型模擬。

選取具有代表性的截面進行溫度和速度云圖分析。首先選取合適的分析截面位置如圖3所示,選擇通過左側出風口中點的水平截面,入風口和出風口均經(jīng)過該水平截面。豎直截面也選擇通過左側出風口中點的截面,該截面直接聯(lián)接出入風口。另外在豎直截面上選擇不同高度的4條直線,從低到高依次為y1～y4,在水平截面上選擇不同位置的3條直線,按照z坐標由小到大依次定義為z1～z3。將此兩個截面和7條直線作為研究對象,分析其流場狀態(tài)的分布情況。

經(jīng)過計算得到流場狀態(tài)的分布結果,空調室體內部豎直截面溫度分布云圖如圖4所示。室體豎直方向的中部位置與室體上下兩端溫度斷層分布。在表冷器與表熱器之間的空間內,由于空氣經(jīng)過冷卻但尚未加熱,故此處為室體內溫度最低的區(qū)域,溫度為22.6℃左右,空氣經(jīng)過表熱器加熱后達到23.2℃。在空調室體表熱器的上部存在局部高溫區(qū)域,中心溫度可達30℃左右。

圖4 豎直截面溫度分布云圖

直線y1～y4溫度分布趨勢如圖5所示。從圖5可知,y3與y4曲線的溫度比y1與y2的溫度高,同時y3與y4存在明顯的溫度峰值。從圖5可以明顯看到各條直線上溫度分布并不均勻。利用CFD-Post軟件在豎直截面上均勻取樣點1 000次,求得該截面的平均溫度為25.14℃,溫度均勻度指標為65.24。

圖5 直線y1～y4溫度分布趨勢圖

水平方向的溫度云圖如圖6所示。水平方向上的溫度分布均勻性較豎直方向有所改善,大部分區(qū)域在23.1℃到25.4℃之間。這是由于兩個入風口呈水平方向左右布置,送到空調室體中的主流在水平方向上占較大的比例。兩道主流之間的區(qū)域溫度梯度較大,存在部分溫度分布不均勻現(xiàn)象。直線z1～z3溫度分布趨勢圖如圖7所示,可以得到不同直線上溫度隨著x值變化的趨勢。經(jīng)過計算得到該截面內的平均溫度為23.44℃,溫度均勻度指標為7.72。

圖6 水平截面溫度分布云圖

圖7 直線z1～z3溫度分布趨勢圖

空調室體內部流場的速度分布狀態(tài)同樣存在不均勻現(xiàn)象,圖8為速度分布云圖和直線上的速度分布趨勢圖。速度和溫度分布存在明顯的關聯(lián)性:速度大的區(qū)域溫度較低,速度低的區(qū)域則溫度偏高。由于空調室體入口和出口直線聯(lián)通區(qū)域附近的空氣流速較大,空氣并未在表熱器充分加熱就流出室體,導致空調室體的出風溫度較低。

計算得到空調室體內部的各個狀態(tài)指標值如表1所示,溫度和速度均勻度指標存在正相關的關系。水平截面的平均速度最大,且流場均勻性最好。豎直截面由于局部高溫區(qū)域的存在,其平均溫度最高,且流場均勻性較差,整體出口平均溫度為24.12℃。

表1 空調室體內部流場狀態(tài)指標

1.3 仿真結果的實驗驗證

CFD仿真結果的準確性需要實驗測量進行驗證,為得到空調室體在整體斷面的空氣分布狀態(tài),采用如圖9所示的方式進行測量點布置,測點位置遍布于整個截面,可以全面判斷模擬仿真結果的準確性。測量時用探頭對各位置逐一測量,由于探頭體積較小,可忽略其對流場狀態(tài)的影響。

圖9 測量點位置示意圖

經(jīng)過測量并記錄各點的溫度和速度值,其溫度曲線如圖10所示。仿真值與實測值的變化趨勢基本一致,將實測值與仿真計算結果進行對比,計算得到溫度場的最大偏差為2.7%,速度場的最大偏差為4.6%,偏差值在5%以內,說明仿真計算結果與實際流場相差較小,證明了仿真結果的準確性,同時說明設定的仿真參數(shù)可行。

2 噴漆室空調結構優(yōu)化

2.1 參數(shù)選取與實驗設計

采用響應面法擬合出待優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標之間的二階回歸方程,首先選取待優(yōu)化參數(shù)?？照{室體的總高度為H,總體長度為L,入風口、出風口距離地面的高度分別為m、n,在優(yōu)化設計中將保持表冷器與表熱器相對位置不變,改變其整體在室體中的位置,其位置用表冷器與入風口之間的距離l表示。各尺寸定義示意圖如圖11所示。

圖11 各尺寸定義示意圖

將ε、η和φ作為待優(yōu)化參數(shù),其定義如式(2)～式(4)所示。

ε=m/H

(2)

η=n/Η

(3)

φ=l/L

(4)

優(yōu)化設計的目的是提高室體內空氣均勻程度,并提高送風溫度?？諝饩鶆虺潭扔昧鲌鼍鶆蚨戎笜薝v表示,優(yōu)化目標即為降低流場均勻度指標Uv?？紤]到空調入風口與出風口處風管的安裝結構,在其上下極限位置分別預留0.2 m的余量,據(jù)此極限位置可計算得出ε和η的取值范圍為0.042～0.646。由于表冷器與表熱器需要進行設備檢修,因此其距離入風口(出風口)壁面的距離需要預留寬度不小于1.0 m的空間,由此計算出φ取值范圍為0.122～0.720。

使用Design-Expert軟件生成每組實驗的各個參數(shù)值列表,采用BBD(box-behnken design)法進行實驗次數(shù)和各參數(shù)的設定[10]。對每組參數(shù)所確定的空調結構重新構建模型,進行CFD計算得到仿真結果。參數(shù)值與仿真計算結果如表2所示。

表2 參數(shù)設定值與優(yōu)化結果表

2.2 回歸方程的建立與優(yōu)化模型的求解

采用線性回歸模型,進行優(yōu)化目標Uv與三因素之間回歸方程的擬合,得到二階回歸方程:

Uv=12.71-4.25ε+5.61η+0.92φ+5.02εη-

3.22εφ+2.02ηφ+5.55ε2-9.77η2+4.72φ2

(5)

分析響應面圖像如圖12和圖13所示,在參數(shù)取值范圍內不存在極值點,三維響應面圖形呈現(xiàn)馬鞍形,無法通過圖像判斷目標函數(shù)為最值時各因素的取值,需要通過軟件優(yōu)化篩選。

圖12 三維響應面云圖

圖13 二維響應面圖

通過Design-Expert功能進行優(yōu)化分析,設置優(yōu)化目標Uv的優(yōu)化方向為取極小值,通過計算得到Uv的極小值為12.230,即空調室體內的速度分布最均勻的狀態(tài),此時3個因素ε、η和φ的取值分別為0.400、0.042、0.122。由此根據(jù)3個因素的定義計算出對應的空調室體結構m、n、l的參數(shù)值分別為1.92 m、0.20 m和1.00 m。

重新建立模型并進行仿真驗證,計算出均勻度指標和送風平均溫度如表3所示,本次優(yōu)化速度均勻度指標上提高16.8%,出風口溫度提高0.23℃,能量利用率有所提高,流場狀態(tài)得到改善。

表3 原模型與優(yōu)化模型結果對比

3 結論

以噴漆室空調室體內部流場為研究對象,采用CFD仿真計算和實驗驗證相結合的方法,分析內部流場狀態(tài),對室體結構進行優(yōu)化,得出以下結論:

(1)該噴漆室空調室體內部流場分布存在不均勻現(xiàn)象,均勻程度優(yōu)劣依次為水平截面最優(yōu),室體整體空間次之,豎直截面最差。

(2)優(yōu)化結果表明,改變入風口、出風口和表冷器的位置能夠提高流場均勻性。