高低溫試驗箱內溫度場實驗及數值研究

李毅華, 鄧家一, 季家東, 王建剛

(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)

高低溫試驗箱是檢測電子產品和其他材料在高低溫環境下工作性能的一款試驗箱,試驗區內的溫度波動度和溫差效應對試驗產品的研究結果有著不同程度的影響,導致實驗結果出現偏差,而環境試驗箱是通過氣流維持試驗區溫度場的均勻度,因此研究不同氣流形式對試驗區溫度場的影響具有重要意義。

通過高溫和低溫進行物料的加工或存儲的設備內部溫度都是利用空氣的流動進行控制。一個良好的氣流組織形式可以有效地提高溫度場的均勻性。目前已有大量的關于氣流對溫度場的影響研究,并取得了豐碩的研究成果。Li等[1]通過調節冷氣的進出口位置,以減小酒柜內部的溫差。楊先亮等[2]研究了干燥塔內部的不同結構對空氣流通的影響。Moureh等[3]研究證明了良好的氣流形式可以有效地降低冷藏車內部溫差。李婷婷等[4]研究了不同送風方式對熱通道封閉數據中心熱環境影響。程瓊儀等[5]分析研究了進風位置對縱向通風疊層雞舍氣流流場和溫度場分布的影響。Lin等[6]研究了不同送風風量對室內垂直溫度的分布影響。Akdemir等[7]優化了冷藏庫的流場分布,提高了冷凍效果。另外還有大量的關于冷藏車內部物品的堆放形式與循環氣流之間的相互作用對冷藏效果的影響研究[8-9]。

根據上述研究成果可以知道氣流對溫度場有著直接影響作用,可以通過調節氣流的流動方式改善高低溫設備的工作性能。對高低溫試驗箱內的循環風速對溫變速率和溫度場均勻性的影響進行研究,為提高內箱試驗區的溫度變化速率和溫度場的均勻性,必須提高循環風速。另一方面,風速過大會導致實驗品與箱內氣流的熱交換變快,增加了試驗誤差。因此,研究循環風速與溫變速率間的關系對于提高高低溫試驗箱的性能具有重要的意義。

現以廣東立佳實業有限公司生產的某型號高低溫試驗箱為研究對象。該試驗箱的升溫速率為 9 K/s,降溫速率為5 K/s,由于降溫速率小于升溫速率,而溫變速率越慢所需要的循環風速越小,因此只研究升溫情況下送風風速對試驗箱溫度場的影響,分別分析6種送風方案對試驗箱溫度場溫變速率與均勻度的影響,通過對6種送風方案進行數值模擬計算選擇出最佳送風風速。

1 物理模型

1.1 試驗箱結構和幾何尺寸

高低溫試驗箱的外箱材料為冷軋純鋼板,內箱材料為SUS304,保溫材料為聚氨酯發泡板,其內部結構模型如圖1所示。試驗區尺寸為1 200 mm×800 mm×600 mm；送風口4個,尺寸為100 mm×100 mm；風道尺寸為1 120 mm×330 mm×90 mm；防爆窗尺寸為130 mm×200 mm×200 mm；回風口尺寸為1 000 mm×70 mm；排煙口尺寸為φ100 mm×130 mm。該高低溫試驗箱采用上送風、下回風的循環氣流方式控制箱內溫度場。

圖1 高低溫試驗箱模型Fig.1 Model of high and low temperature test chamber

1.2 物理屬性及參數

考慮到計算機資源的限制,為提高計算效率只研究內箱氣流溫度在1 min內的變化,溫度變化范圍小,因此空氣的密度、導熱系數、比熱容設定為初始溫度下的值,溫度場溫度的初始值設為 302.15 K。空氣的物理性質參數如表1所示。

表1 空氣的物理性質參數Table 1 Physical property parameters of air

2 數值模擬計算

2.1 條件假設

因為試驗區內的氣流運動為湍流運動,所以采用k-ε湍流模型進行計算[10]。為了方便計算,對試驗區的幾何模型做出以下假設:①試驗區內的空氣為不可壓縮流體,忽略物體的黏性力做功；②試驗箱的氣密性良好,不考慮漏氣情況；③內箱壁面為絕熱壁面；④整個試驗區的初始溫度設定為同一溫度值；⑤簡化了內箱的空間模型和百葉窗結構。

2.2 邊界條件設置

采用SolidWorks建模,將模型導入ANSYS中劃分網格,采用結構化六面體網格對高低溫試驗箱內部流場模型劃分網格,網格劃分之后導入Fluent中進行流場和溫度場計算。表2所示為送風方案。

表2 送風方案Table 2 Air supply scheme

送風溫度隨時間線性變化,溫度與時間變化公式為

T=302.15+0.15t

(1)

式(1)中:T表示溫度,K；t表示時間,s。

將式(1)編寫成UDF程序導入Fluent中。出風口邊界條件設定為outflow。該仿真為瞬態仿真,時間步長為0.1 s,步數600,總時間為60 s。

在計算時需選擇具有代表性的監控點,記錄監控點的溫度變化,通過對監控點的數據進行分析對比,選擇最佳的送風方案。數值模擬計算共選擇9個監控點,監控點均在試驗區內，如圖2所示。其中A、C、B、D距試驗區前表面70 mm,E、F、G、H距試驗區后表面70 mm,A、G、H、B距試驗區上表面 160 mm,C、E、D、F距離試驗區底部平面 160 mm,I距前表面400 mm,距左側表面600 mm,距底部280 mm。

圖2 監控點布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring point layout

對高低溫試驗箱進行三維流場仿真,設置收斂條件為溫度、速度和能量殘差小于0.001,箱內流場為復雜的湍流運動,因此采用Realizablek-ε湍流模型進行求解,計算方法采用成熟的PISO算法,其控制方程如下[11-13]。

連續性方程為

(2)

式(2)中:ρ為密度,kg/m3；ui為方向上的速度,m/s。

動量方程為

(3)

式(3)中:μ為動力黏度,N·s/m2；p為壓力；gi為i方向上的重力加速度,m/s2；δij為動力源項。

能量守恒方程為

(4)

式(4)中:U為流體速度矢量，m/s；Cp為比熱容,J/(kg·K)；T為溫度,K；H為對流傳熱系數,W/(m2·K)。

湍流模型采用改進和完善后的Realizablek-ε模型,Realizablek-ε湍流模型方程為

Gb-ρε-YM

(5)

(6)

2.3 試驗驗證

為證明高低溫試驗箱的模型建立的合理性,確保試驗箱溫度場數值模擬結果具有實際參考價值,對所研究的高低溫試驗箱的內部溫度變化進行實際測量,測量布置點按照數值模擬計算所設置的監控點坐標進行布置,如圖3所示。溫度采用keithley2700數字儀表進行測量,風速采用手持式風速測量儀進行測量,送風風速約為5 m/s,共測量3次,每次測量前將試驗箱內溫度控制在302.15 K。

圖3 實際測試圖Fig.3 Actual test diagram

設計模擬仿真的送風風速為5 m/s,進行模擬計算。將試驗所測得結果的平均值與模擬計算結果對比,如圖4所示。試驗所得溫變速率與模擬計算溫變速率的最大相對誤差為1.2%。溫變速率的誤差在可接受范圍內,因此本文中的模擬計算模型與方法是正確的,并具有實際參考價值。

圖4 仿真與試驗結果對比Fig.4 Comparison of simulation and text results

3 數值模擬與試驗結果分析

3.1 模擬結果分析

圖5所示為6種送風方案的溫度值計算結果。根據該結果計算出9個測點在6種送風方案下的各自溫變速率,其溫變速率計算結果如圖6所示。從圖5可以發現,隨著送風風速的提高,9個測點之間的溫度差縮小,表明溫度場的溫度均勻度在逐漸提高。從圖6可以看出,隨著送風風速的增加,試驗區內的各測點的溫變速率逐漸提高,最大溫變速率與最小溫變速率的差值也在逐漸縮小。方案2與方案1 相比最大溫變速率提高了0.008 K/s,最小溫變速率提高了0.02 K/s；方案3與方案2相比,最大溫變速率提高了0.004 K/s,最小溫變速率提高了 0.007 K/s；方案4與方案3相比,最大溫變速率提高了0.002 K/s,最小溫變速率提高了0.005 K/s；方案5與方案4相比,最大溫變速率提高了 0.002 K/s,最小溫變速率也提高了0.002 K/s；方案6與方案5相比,最大溫變速率相同,最小溫變速率提高了0.001 K/s。通過對6個方案的仿真數據的分析總結,可以發現送風風速從1 m/s增加到4 m/s時,溫變速率顯著提高；送風風速從4 m/s增加到 5 m/s 時,溫變速率的增長減小,送風風速從5 m/s增加到6 m/s時,溫變速率已基本不變。

圖5 6種方案各測點溫度值對比Fig.5 Comparison of temperature values of each measuring point in six schemes

圖6 6種方案各測點溫變速率對比Fig.6 Comparison diagram of temperature change rate of each measuring point in six schemes

在內箱高50～550 mm,每隔50 mm選擇一平面,共計11個平面,采用面積加權平均法計算每一個面的平均溫度,通過各平面評價溫度值之間的差值評價內箱溫度場的均勻性。計算結果如圖7所示。從圖7可以看出，方案4、方案5、方案6的溫度場均勻性較好。綜合分析測點的溫度、溫變速率和試驗內箱的溫度場均勻性可以發現，送風風速大于4 m/s時,高低溫試驗箱的溫度場均勻度較高。

圖7 6種方案的縱向平均溫度分布Fig.7 Longitudinal mean temperature distribution of the six schemes

3.2 效率評價

不同送風方案的高低溫試驗箱升溫效率可以通過能量利用系數來進行評價,系數越大,表明該送風方案的工作效率更好[14],也為試驗箱的節能設計提供了相應的參考,計算方法為

(7)

式(7)中:η為能量利用系數；Tm為回風口平均溫度,K；Tn為內箱平均溫度,K；Tn為60 s時送風口的溫度,K。

根據式(7)計算得到的6種送風方案的能量利用系數的計算結果如表3所示。從表3結果可知，方案1的能量利用率最高,但是綜合考慮其實際試驗箱的熱量損失和模擬結果的溫度場均勻性,可排除方案1。方案2、方案3的能量利用系數較低,故也可排除。方案4與方案5的系數差值較小,而方案6的能量利用系數與前兩個方案相差較大,這表明,隨著內箱循環風速的增加,可以提高箱內空氣的對流傳熱效率,但是增加風速也相應地導致制造成本和電量消耗的增加,因此僅僅依靠能量利用率無法判斷最佳送風方案。為了進一步精確最佳送風風速,需要對方案4、方案5、方案6流場和溫度場的分布做進一步分析。

表3 能量利用系數計算結果Table 3 Calculation results of energy utilization coefficient

根據該型號試驗箱的使用標準,測試物品的放置位置應該與內箱底部平面和頂平面保持160 mm以上的距離,并且,由數值模擬結果可知,內箱試驗區的橫向平面與送風口的垂直距離越小,溫度的均勻度越高。因此,選擇距內箱底部160 mm平面的風速和溫度分布情況來觀察方案4、方案5、方案6的均勻性。

圖8所示為3個方案的風速分布三維曲面圖。從圖8中可以看出,因為送風風速的增加,平面的最高風速也相應地提高,圖9為3個方案在距底部160 mm平面的溫度云圖。從圖9中可以看出，方案4 的溫度值小,而且分布均勻性較差。方案5與方案6的溫度場分布均勻,兩者的溫度值相差只有1 K,所以可排除方案4。

圖8 3個方案速度分布圖Fig.8 Speed distribution of the three schemes

圖9 3個方案的溫度云圖Fig.9 Temperature cloud map of the three schemes

3.3 不均勻系數

箱內空氣氣流經過回風口進入熱交換空間,與蒸發器和加熱器進行對流換熱,如圖10所示,回風口比較細長,空氣經過蒸發器和加熱器進入風機,因此回風口風速和溫度的均勻程度直接決定空氣的對流傳熱質量,也影響著4個送風口的送風溫度的誤差大小。因此通過對方案5、方案6的回風口風速和溫度的不均勻系數進行計算,選擇最佳方案。

圖10 氣流加熱及制冷原理圖Fig.10 Schematic diagram of airflow heating and cooling

在回風口的截面上選擇分布均勻的40個監測點,左右監測點相距均為100 mm,上下相距均為 14 mm,如圖11所示。將這些監測點的空氣流速和溫度值搜集出來,利用不均勻系數計算公式進行計算[15-17]，即

圖11 監測點布置示意圖Fig.11 Monitoring point layout

(8)

(9)

回風口的空氣流速和溫度的不均勻系數計算結果如表4所示。從表4中可以看出雖然方案6的不均勻系數要小于方案5,但是其值的差值很小,可以忽略。因此,可以確定576L高低溫試驗箱的最佳送風風速為5～6 m/s。

表4 不均勻系數計算結果Table 4 Calculation results of non-uniformity coefficient

4 結論

通過CFD數值模擬計算不同送風風速對高低溫試驗箱內試驗區的溫變速率和溫度場均勻性的影響,得到了合理的送風風速,并通過試驗進行了分析驗證。研究結論如下。

(1)隨著送風風速的增加,試驗區的溫變速率也會相應提高,但是當風速增加到一定值時,試驗區的溫變速率將基本保持不變,提高送風風速可以有效地改善試驗區溫度場的均勻度,溫度分布也更加均勻。

(2)通過試驗,驗證了數值模擬分析高低溫試驗箱內部流場及溫度場的合理性,為高低溫試驗箱提供了理論分析方法。

(3)所設計的送風方案已經成功應用于同等規格的高低溫實驗箱中,改善了高低溫試驗箱的性能,對類似的高低溫試驗箱的性能改善提供了一定的參考。