基于科研平臺的創新培養模式探討
——計算集群環境熱力學仿真計算

吳 靜， 陳藝超， 姚列明

(電子科技大學 物理電子學院, 成都 610054)

0 引 言

對整體集群的房間熱分布情況進行的熱力學和電磁仿真是基于磁約束裝置中復雜的真空室環境進行的仿真。工作期間線圈會承受真空室壁的熱輻射、局部的渦流、自身焦耳熱等多種熱源，連續放電帶來熱積累會損壞線圈結構，減小線圈的使用壽命[1]。對托卡馬克線圈進行必要的熱力學分析，是改造與發展磁約束核聚變的重要課題。通常使用有限元分析軟件對托卡馬克進行熱力學分析，郝長端[2]利用ANSYS CFX模擬分析J-TEXT托卡馬克共振磁擾動線圈在首次放電后的溫升，并進行相應二維與三維的水冷分析；岑義順[3]分別模擬了聚變裝置在電阻生熱、真空室壁熱輻射、300 ℃高溫烘烤條件下RMP線圈的溫升。CFX(Computational Fluid X)是Ansys有限元分析軟件中的一個模塊，是一款做流動分析的專業的商業軟件，可用來模擬內部流動分析。目前，CFX已經遍及航空航天、旋轉機械、能源、石油化工等領域，為用戶解決了大量的實際問題[4-7]。通過讓學生模擬計算集群的空調房間，有助于掌握并熟練使用Solidworks和ANSYS CFX軟件，利于自主學習能力與科研能力的培養。在本文中，由于要對RMP線圈設計，需要進行綜合的模擬，例如熱力學和電磁學模擬。這些工作都需要強大的仿真軟件，例如ANSYS，MAXWELL等軟件。也需要科研人員掌握熟練的模擬技巧。

基于此，通過設置相關的模擬環境，例如柜式空調與中央空調兩種模型下的集群房間熱力學場分布，來引導高年級本科生或低年級研究生初步進入科研狀態，以提高其扎實的工科基礎和專業技能?？照{分為室內機與室外機，室外機的安放位置會影響空調能耗[8]，而室內機的安裝位置，尤其是送風口和回風口的相對位置，容易對空調的制冷或制熱效果造成影響。辦公集群的房間一般使用柜式空調或中央空調，本文以集群房間的運行為模型，使用CFX軟件對空調運行狀態下房間內流場進行瞬態的模擬，觀察一段時間內房間的溫度場變化。此外，為了比較柜式空調與中央空調的制冷效果，模擬將在不同的送風口位置條件下進行。本文建立了實際的模型，給出了結果和分析，優化方案，結論和展望。

1 建立模型

1.1 結構模型

根據實際情況，收集集群房間的各種參數，繪制集群房間Solidworks模型的布局結構圖，如圖1所示。從正視圖和左視圖可以看到，左邊區域為隔斷，中間為風冷式柜式空調放置的位置，空調高度為1.4 m，寬度為0.6 m，厚度為0.36 m。右邊為單層隔斷，隔斷高度1 m?？梢詮母┮晥D和三維圖看到集群房間的具體布局。房間占地面積為36 m2。左側有6個隔斷區域，右側有2個隔斷區域，隔斷厚度為0.1 m。柜式空調系統安放在兩個辦公桌之間靠墻的位置，空調邊緣距與房間左右兩側的距離分別為3.3 m和2.1 m?；诖?，給出了圖2所示的集群房間網格圖。網格的劃分是有限元分析的前提條件，CFX軟件自身不帶有網格生成的功能，需要借助動網格(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code for Computational Fluid Dynamics，ICEM CFD)軟件進行劃分。由于計算的集群房間模型結構較為簡單，仿真結果主要觀察溫度分布變化，沒有極高的計算精確度要求，故可以選擇ICEM軟件的自動生成網格功能。在圖2中，由于考慮到模型為熱分析，因此設置為流體模型，并設置空調的送風口與回風口。送、回風口面積分別為(0.340 m×0.545 m)和(0.750 m×0.545 m)。在隔斷區域是人工作期間的長時間逗留區域，需要分析該區域的熱力學分布特性。由于需要進行對比實驗，考慮到實際情況，添加中央空調模型，如圖3所示。保持送風口的形狀及尺寸不變，將其移至頂部(距離地面3 m)，風口與左右兩側墻壁的距離與柜式空調送風口一致，且其他條件不變。圖3中包含墻面的房間邊框(6 m×6 m×3 m)作為兩種模型(風冷柜式空調和中央空調)的物理模型計算空間(邊界條件)。由于在模型計算過程中，人與一些工作設備(如工作站)也可以作為熱源出現在計算集群內，但影響較小，考慮到門是關閉狀態，因此忽略門縫的熱量流失和增加及人與設備作為熱源所帶來的計算影響。

圖1 集群房間Solidworks模型圖

圖2 集群房間網格圖

圖3 中央式空調模型圖

1.2 計算模型及參數設置

常用于熱分析問題的湍流模型有k-ε湍流模式[9-12]，其中k為湍動能，定義為速度波動的變化量，ε為湍動能耗散，即指速度波動耗散的速率，湍動能k的值越大，則湍流長度以及時間尺度越大；而ε則相反，湍動能耗散值ε越大，湍流長度以及時間尺度越小。k-ε湍流模式是半經驗的公式，是Launder和Spalding[13]實驗現象中總結出來的。這種模型準確度高且易于收斂，是CFX模擬中最常用的標準工業模型，是工程流場計算中主要的工具。湍流模型的局限在于只能對湍流核心區流動的求解，需要通過壁面函數進行補充，才能夠完成整個湍流區域的流動計算。選擇Ansys CFX軟件默認的Scalable 壁面函數作為本文模擬的壁面函數，這種壁面模型可以促進模擬的收斂性和準確性。Scalable壁面函數的目的在于聯合使用標準壁面方法以強迫使用對數律。這種壁面函數既省去了為壁面存在而修改湍流模型，又克服了其他壁面函數沿壁面法去細化網格時導致數值結果惡化的缺點。在仿真過程中，引入y*作為無量綱量用來描述湍流邊界壁面網格的相對大小。該壁面函數能避免在y*<15時計算結果不收斂，該壁面函數對于任意細化的網格，能給出一致的解。當網格粗化使y*>11時，該壁面函數的表現與標準壁面函數一致。

計算模型與函數選擇完成后，需要設置初始條件及求解條件。參考實際情況后，設置的各個條件參數為：初始溫度40 ℃，空調溫度23 ℃，空調流速4 m/s，時間間隔20 s，總時間120 s。實際應用中，辦公集群的空調送風口的流速一般在2.5～6 m/s區間，本文取4 m/s。制冷溫度范圍一般為21～26 ℃區間，本文取23 ℃，集群房間的初始溫度取40 ℃。本文為瞬態模擬，還需要設置時間間隔(步長)與總時間(總步長)，總時間規定了軟件計算時間長度，時間間隔的設置會影響計算結果的顯示，能夠得到總時間范圍內，每個時間間隔時刻的計算結果。在一些很復雜的結構計算過程中，步長的設置還會影響計算的收斂，這種情況對步長的設置有比較嚴格的要求。基于此集群房間空調模型簡單，計算易收斂，迭代少，因此對步長的設置要求較低，進一步考慮到空調的制冷效果一般在短時間內較為明顯，故本文選擇120 s作為總步長。由于時間間隔太短不僅計算量增加，且不利于計算模擬結果的比較，為了便于對比每個時間間隔時刻的溫度分布變化，選擇20 s為時間間隔，將得到6個時刻的計算結果。此外，墻面以及辦公隔斷均設置為絕熱體。

2 計算結果與分析

如圖4所示，設置高度為1 m的平面截面為觀測面，得到該面上柜式和中央式空調模型房間在每個時間間隔時刻的溫度場云圖。圖4(a)～(f)顯示的是柜式空調模型，圖4(g)～(l)顯示的是中央空調模型。圖4很好地展示了觀測面的降溫過程。從圖4(a)可以看出，在時間t=20 s的時候，空調送風口附近的區域溫度最低，房間右側的區域溫度較低，左側隔斷區域的溫度仍然很高，隨著空調系統的持續運行，房間各個區域的溫度慢慢降低，t=120 s時刻，觀測面上的溫度均在35 ℃以下，降溫效果明顯。同樣的，從圖4(g)～(l)看出，中央空調也經歷了類似的降溫過程。對比兩種模型的溫度場分布圖，如圖4(a)和圖4(g)所示，t=20 s時刻中央空調模型的高溫區域明顯多于柜式空調，此時柜式空調的降溫效率比中央空調高很多。另外，在中央空調的溫度場分布圖中，空調附近區域的溫度變化速率慢，降溫效率比柜式空調模型低得多。但在靠近風口路徑的右側隔斷和左側的兩個隔斷區域，中央空調的降溫效率更高?？紤]到是冷氣流通過送風口引入集群房間的流動路徑原因所引起的降溫效率差異，給出了觀測面及以下區域的氣流矢量圖。由于氣流矢量分布在各個時刻幾乎相同，不存在明顯的變化，故只需要給出某時刻的氣流矢量。本文選擇60 s時刻，繪制的柜式空調模型和中央空調模型的矢量圖，如圖5所示。圖5(a)顯示，柜式空調冷氣流從送風口進入房間，直接傳輸至對面墻壁后，往左右兩個方向到達兩側辦公桌區域。由于辦公桌隔斷板的原因，使得到達左側辦公區域冷氣流受到一定阻礙，導致溫度較高于其他區域，見圖4(c)。圖5(b)顯示了中央式空調的氣流從屋頂送風口沿直線至兩側辦公桌之間的地面后向四周擴散，同樣受到左側辦公桌隔斷板的限制，使左側辦公區域(靠近送風口位置除外)溫度偏高。由于觀測面在回風口上方，氣流撞擊地面后有一部分沿著回風口方向離開辦公集群房間，并未對觀測面溫度造成影響，所得結果與圖4(i)的溫度場分布圖一致，也解釋了為什么回風口附近區域也有較高溫度。

如圖6所示，在觀測面上選取了1#～12#12個觀測點，所取觀測點包括8個隔斷區與4個走廊區域的點，繪制每個觀測點在柜式空調與中央空調模式下的溫度變化曲線，為了方便對比，將兩種模型的同一觀測點溫度變化曲線放置在同一個圖中，如圖7所示。在觀測點中，柜式空調模型的最佳降溫效率點是7#位，因為此觀測點靠近送風口，是冷風首先到達的區域。類似地，中央空調模型的最佳降溫效率點為最靠近送風口位置的8#位。從兩個觀測點最佳降溫效率的溫度曲線上看，它們在前20 s內的溫度下降很快，但在20 s后的降溫速度有明顯的降低。這是因為冷風離開送風口后，首先到達這兩個觀測點，因此溫度下降很快，但隨后冷風逐漸擴散到集群房間的各個區域，對觀測點的降溫效率變低。比較兩種模型在隔斷區域的降溫效率，在2#和3#位的溫度曲線十分接近，降溫效率沒有太大差異。中央空調模型在5#、6#、11#和12#觀測點的降溫效率高于柜式空調模型，原因是中央空調冷風更易于到達這4個觀測點位置(從圖5的氣流矢量圖可以看出)。因此，中央空調模型在隔斷區域的整體降溫效率優于柜式空調模型，考慮到8個隔斷為人的長時間逗留區，此模型房間更適于安裝中央式空調。

(a) t=20 s(b) t=40 s(c) t=60 s柜式空調(d) t=80 s(e) t=100 s(f) t=120 s(g) t=20 s(h) t=40 s(i) t=60 s(j) t=80 s(k) t=100 s(l) t=120 s中央空調

圖4 柜式空調與中央式空調模型觀測面在

圖5 柜式空調與中央空調模型的氣流矢量圖

圖6 觀測點位置示意圖

通過計算結果，可進一步給出優化方案。依據圖4的溫度場分布圖所示，不論是柜式還是中央空調模型。左側隔斷區域的降溫效率都遠低于右側隔斷區域，尤其是左上角隔斷區域，是降溫最慢的一個區域。為此提出一個改進方案，使左上角隔斷區域的降溫效率得以一定程度的提高。由圖5的氣流矢量圖，冷氣在左側隔斷區域的流動受到不同程度的阻礙，如果在此區域設置一個出口，將有利于冷氣的對流，一部分冷氣流將聚集在此出口附近，這些區域的降溫效率也將得到提高?？紤]到左上角隔斷區域的降溫效率最低，將在出口設置在此區域，如圖8所示，矩形出口尺寸大小為：長0.5 m，寬0.3 m。由于更關心空調運行初期的降溫效率的提高，故只模擬20 s與40 s時刻的結果，在更長時間的尺度下，效率的提高需要進一步的計算。圖9(a)～(b)是柜式空調模型的模擬結果，圖10(a)～(b)是中央空調模型的模擬結果。與圖4比較，可以看出在左上角區域設置出口之后，不管是柜式或者中央空調模型，左邊隔斷區域在20 s和40 s時刻觀測面上的溫度都得到了顯著下降。對于柜式空調模型，集群房間右上角區域，包括右側靠近空調的隔斷區域，降溫效率受到了一定的降低，但相對而言，左側受到的降溫效率的提高影響要比右側區域明顯得多。對于中央空調模型，除了右側隔斷與墻之間的空隙區域降溫收到小程度的影響外，右側隔斷區域的降溫效率幾乎沒有影響。因此，對于兩種不同的空調模型，添加的出口都對集群房間觀測面上的降溫是有利的。

圖8 添加的出口位置示意圖

(a)t=20 s(b)t=40 s

圖9 柜式空調模型溫度場分布圖

圖10 中央空調模型圖

3 結 論

對于復雜的物理及相關工程問題，通過設置相關的模型，鍛煉分析學生對物理仿真的認識，可以從初步模擬仿真入手，在科研訓練環節中，這種模式尤為有效。在本專業中，希望得到未來聚變裝置ITER及國內托卡馬克裝置的熱力學等復雜仿真結果[14-16]。因此為了更進一步的為科研提供基礎，攝者實際條件，建立計算集群房間參數，建立相關模型，通過熱力學模擬軟件，分析在制冷條件下溫度場的分布和演化規律。①利用ANSYS CFX能夠有效的模擬集群房間熱分析，模擬出房間內部溫度場分布圖，流體矢量圖等數據，可以根據模擬計算數據優化集群空調參數設計。②選取并繪制12個觀測點的溫度變化曲線，比較柜式和中央空調在每個觀測點的溫度下降速度，中央空調模型有更多的隔斷區域觀測點的降溫效率高于柜式空調，得出此集群房間更適合安裝中央空調。③提出提高集群房間降溫效率的方案。在降溫效率較低的區域添加一個出口，影響冷氣流的流動，模擬結果表明這樣的設置有利于集群房間降溫效率的提高。

基于科研平臺的人才培養模式更能培養出優秀和具有創新能力的人才，從原先的灌輸式教學模式逐漸轉變為以學生為主導的自主學習模式。學生在模擬過程中遇到問題，分析問題，從而進一步解決問題。不僅很大程度提高學生學習掌握軟件的效率，在提升學生獨立思考及創新能力的作用更是不容忽視。該模式可以為人才培養和人才鍛煉提供基礎，培養具有專業技能和物理背景的復合型人才[17-18]。