基于PIV可視化的蓄冷板外圍流場優(yōu)化研究*

夏晶晶，林詩濤，王飛仁，王廣海，黃遠(yuǎn)廣，郭嘉明, 3

(1. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州市，510515； 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642；3. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室茂名分中心，廣東茂名，525000)

0 引言

蓄冷技術(shù)利用夜間用電低谷充冷，白天放冷，具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。相變材料(Phase Change Materials, PCM)利用自身相態(tài)變換進(jìn)行蓄放冷，具有蓄冷量大、傳熱效率高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，目前已應(yīng)用于蓄冷運(yùn)輸箱中[4]。蓄冷板主要有兩種類型：內(nèi)部帶蒸發(fā)盤管的固定冷板和不帶蒸發(fā)盤管的活動冷板，冷板外形尺寸、結(jié)構(gòu)對蓄冷性能的影響較大[5]。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的無源蓄冷溫控運(yùn)輸箱利用活動的鋁合金蓄冷板存儲冷量，并將貨物區(qū)與蓄冷板隔開[6]，通過風(fēng)機(jī)將蓄冷板的冷量經(jīng)由循環(huán)風(fēng)道引出至保鮮區(qū)，使環(huán)境溫度保持在適宜的范圍內(nèi)[7-8]，具有運(yùn)輸靈活[9]、保溫性能優(yōu)良[10]、運(yùn)行可靠[11]等優(yōu)點(diǎn)，但蓄冷板形狀、進(jìn)風(fēng)流量等參數(shù)對蓄冷板對流換熱的影響尚未明確。

李健等[12]提出，交錯斜排列菱形翅片形狀的冷板在可調(diào)流量的散熱系統(tǒng)中的散熱效果最優(yōu)。王燕令等[13]提出，不同截面形狀的冷板槽道在不同流動特征下的散熱效果不同，各工況下圓形通道散熱效果最差。粒子圖像測速技術(shù)作為一種非接觸式的瞬變?nèi)鲌鰷y量技術(shù)，能夠在同一時刻記錄場的速度傳播，提供流場空間結(jié)構(gòu)流動以及信息特征[14]，可為蓄冷板對流換熱優(yōu)化提供幫助。吳永忠等[15]等利用高速粒子測速系統(tǒng)(PIV)獲取了優(yōu)化后風(fēng)力提水機(jī)翼型的表面速度分布云圖和表面速度曲線。Dogan等[16]使用粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV)對新型渦流發(fā)生器生成的渦流進(jìn)行可視化，指出放置在通道內(nèi)的兩個渦流發(fā)生器之間的橫向間距是增強(qiáng)傳熱效果的重要參數(shù)。Goktepeli等[17]使用粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV)測量了不同雷諾數(shù)下肋板通道內(nèi)的速度矢量和渦度等值線，指出增加湍流強(qiáng)度可增強(qiáng)通道內(nèi)的傳熱效果。Steven等[18]使用PIV和熱電偶分別測量了矩形外殼內(nèi)熔融PCM的二維速度場和溫度場，指出流體速度對液體PCM域內(nèi)的熱傳輸和整體熔化速率及其模式有顯著影響。

綜上所述，在冷板換熱過程中，空氣與冷板對流換熱的效果與冷板的形狀和尺寸、空氣流動特征等因素有關(guān)，目前保鮮用蓄冷板的流場研究較少，因此有必要利用PIV對蓄冷板的外圍流場進(jìn)行深入研究。蓄冷板外圍空氣流速是影響換熱效率和對流換熱系數(shù)的重要參數(shù)[19]，本文通過粒子圖像測速試驗(yàn)臺獲取蓄冷板外圍空氣流動參數(shù)，為蓄冷板外圍流場優(yōu)化提供參考，以期為提高蓄冷板的冷量釋放效率提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和測量設(shè)備

課題組自主搭建的粒子圖像測速系統(tǒng)如圖1所示，主要由管道風(fēng)機(jī)、風(fēng)道試驗(yàn)臺、PIV測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

圖1 粒子圖像測速系統(tǒng)Fig. 1 Particle image velocimetry system1.激光發(fā)生器 2.激光發(fā)射器 3.空壓機(jī) 4.粒子發(fā)生器 5.管道風(fēng)機(jī) 6.有機(jī)玻璃管道 7.導(dǎo)流網(wǎng) 8.進(jìn)風(fēng)口 9.風(fēng)道試驗(yàn)臺 10.蓄冷板 11.出風(fēng)口 12.CCD相機(jī) 13.同步器 14.計算機(jī)

風(fēng)道試驗(yàn)臺的上蓋板和激光射入面的材料為透明亞克力板，以便于CCD相機(jī)的拍攝以及激光的透入，其余各面均由黑色啞光塑料板圍護(hù)而成，避免激光反光損壞CCD相機(jī)[20]。

在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口處布置了蜂窩狀的導(dǎo)流網(wǎng)，使進(jìn)口空氣形成層流，均勻地進(jìn)入風(fēng)道試驗(yàn)臺內(nèi)，并可通過調(diào)頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)道的進(jìn)口空氣風(fēng)速，進(jìn)而改變進(jìn)口空氣流量。風(fēng)速由葉輪式風(fēng)速儀標(biāo)定，均勻標(biāo)定進(jìn)風(fēng)口截面處五個位置的風(fēng)速值并取平均得到進(jìn)風(fēng)風(fēng)速和進(jìn)風(fēng)流量，波動在±0.1 m/s內(nèi)視為標(biāo)定完成。粒子圖像測速系統(tǒng)主要組成設(shè)備型號和參數(shù)如表1所示。

表1 測量系統(tǒng)主要組成設(shè)備型號和參數(shù)Tab. 1 Main equipment types and parameters of measurement system

2 流速測量方案

2.1 測量區(qū)域和測量結(jié)構(gòu)參數(shù)

測量區(qū)域及拍攝平面的幾何參數(shù)如圖2所示，測量區(qū)域覆蓋整個風(fēng)道試驗(yàn)臺，尺寸(長×寬)約為：500 mm×130 mm。激光從蓄冷板背風(fēng)面一側(cè)射入，拍攝平面為蓄冷板高度方向的一個水平二維截面，位于風(fēng)道試驗(yàn)臺的上蓋板以下，距離風(fēng)道試驗(yàn)臺底部約110 mm。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖圖2 測量區(qū)域及拍攝平面示意圖Fig. 2 Schematic diagram of measurement area and plane1.進(jìn)風(fēng)口 2.片光源 3.出風(fēng)口 4.激光 5.風(fēng)道試驗(yàn)臺 6.蓄冷板 7.拍攝平面

蓄冷板的形狀尺寸如圖3所示，蓄冷板迎風(fēng)面的形狀分別為矩形、倒角和圓角，測量的主體結(jié)構(gòu)為鋁合金蓄冷板殼體，尺寸(長×寬×高)約為：200 mm×20 mm×60 mm。

(a) 矩形迎風(fēng)面 (b) 倒角迎風(fēng)面 (c) 圓角迎風(fēng)面圖3 蓄冷板形狀尺寸Fig. 3 Shape and dimension of cold storage plate

2.2 流體測量工況

根據(jù)蓄冷運(yùn)輸箱中蓄冷板的應(yīng)用環(huán)境[21]，并結(jié)合試驗(yàn)條件和相關(guān)文獻(xiàn)，選取3個進(jìn)風(fēng)量：小流量Q0、中流量3Q0、大流量5Q0(Q0表示進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時的空氣流量)，以及3個擺放間距：2 cm、3 cm、4 cm。

為了探究不同影響因素對蓄冷板外圍流場的影響，設(shè)計了單蓄冷板和雙蓄冷板的流場測量試驗(yàn)。進(jìn)行單蓄冷板試驗(yàn)過程中，保持進(jìn)風(fēng)流量不變，分別對單塊矩形、倒角、圓角蓄冷板進(jìn)行流場測量，而后改變進(jìn)風(fēng)流量重復(fù)相同步驟，探究不同進(jìn)風(fēng)流量對蓄冷板流場的影響；進(jìn)行雙蓄冷板試驗(yàn)過程中，保持進(jìn)風(fēng)流量和蓄冷板之間的擺放間距不變，分別對兩塊矩形、倒角、圓角蓄冷板進(jìn)行外圍流場測量，而后改變進(jìn)風(fēng)流量和擺放間距重復(fù)相同步驟，進(jìn)行3因素3水平的試驗(yàn)，探究進(jìn)風(fēng)流量、擺放間距對蓄冷板外圍流場的影響。單蓄冷板和雙蓄冷板試驗(yàn)因素及水平分別如表2、表3所示。

表2 單蓄冷板試驗(yàn)因素及水平Tab. 2 Test factors and levels of single cold storage plate

表3 雙蓄冷板試驗(yàn)因素及水平Tab. 3 Test factors and levels of double cold storage plate

3 流場測量數(shù)據(jù)處理和結(jié)果

3.1 PIV測量數(shù)據(jù)的獲取與處理

采用Dynamic Studio 6.0軟件進(jìn)行圖像標(biāo)定、拍攝、數(shù)據(jù)采集和后處理等。獲得測量結(jié)果后，對測量區(qū)域中的無關(guān)、反光以及模糊的部分進(jìn)行剔除，僅保留蓄冷板周圍的部分，然后對圖像進(jìn)行相關(guān)算法和矢量化處理，獲得速度場云圖，并使用Tecplot 360 EX 2020 R1軟件對速度場云圖進(jìn)行空氣流線可視化處理，顯示蓄冷板外圍空氣的流動特征。

使用PIV采集功能，如圖4(a)所示，提取空氣流體沿單塊蓄冷板上表面和下表面流動的速度數(shù)據(jù)，取平均值得到蓄冷板表面平均風(fēng)速，作為評價空氣在單蓄冷板表面流動特性的依據(jù)；如圖4(b)所示，提取空氣沿雙蓄冷板間隙內(nèi)上表面和下表面的0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm處共10個點(diǎn)位流動的風(fēng)速數(shù)據(jù)，取平均值得到蓄冷板間隙通道內(nèi)的表面平均風(fēng)速，作為評價雙蓄冷板表面空氣流動特性的指標(biāo)。

(a) 單蓄冷板表面風(fēng)速提取

(b) 雙蓄冷板表面風(fēng)速提取圖4 數(shù)據(jù)提取示意圖Fig. 4 Schematic diagram of data extraction process1.空氣進(jìn)口 2.空氣出口 3.蓄冷板上表面 4.蓄冷板下表面 5.蓄冷板間隙上表面 6.蓄冷板間隙下表面

3.2 蓄冷板外表面速度場

不同進(jìn)風(fēng)量下，單塊蓄冷板外圍空氣的平均速度分布如圖5所示。由圖5可見，蓄冷板表面與空氣存在無效的接觸面積，包括蓄冷板的背風(fēng)面、平均速度接近0 m/s的表面，這會導(dǎo)致蓄冷板表面對流換熱系數(shù)的降低[22]；隨著進(jìn)風(fēng)流量的增大，蓄冷板外表面空氣流速分布的不均勻性逐步增大。在小流量Q0和中流量3Q0情況下，空氣的平均速度輪廓和流線整體上沿蓄冷板兩側(cè)對稱分布，空氣流向和流速分布都較為均勻，表明粒子速度場穩(wěn)定[23]。在大流量5Q0情況下，粒子速度場呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，流速分布不均勻，空氣流向不穩(wěn)定，說明迎風(fēng)面形狀對蓄冷板外圍流場的影響在大流量下更為顯著。

(a) 矩形:Q0、3Q0、5Q0

(b) 倒角:Q0、3Q0、5Q0

3.3 PIV截線上的流速分析

3.3.1 單蓄冷板表面空氣流速分析

以蓄冷板迎風(fēng)面為起始點(diǎn)，沿長度方向每間隔50 mm提取單蓄冷板上表面和下表面的速度并計算平均值，不同進(jìn)風(fēng)流量下蓄冷板的表面平均風(fēng)速分布如圖6所示。

根據(jù)空氣沿蓄冷板表面分布的情況，將整個蓄冷板外表面分為三個階段：入口段(0～50 mm)、穩(wěn)定段(50～150 mm)和出口段(150～200 mm)。由圖6可見，蓄冷板的迎風(fēng)面形狀影響表面平均風(fēng)速的大小和分布，且進(jìn)風(fēng)流量越大，影響作用越明顯，這是由于空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道后，與不同迎風(fēng)面形狀的蓄冷板發(fā)生交匯碰撞后向兩側(cè)擴(kuò)散的程度不同；由圖6(a)可見，在小流量Q0工況下，矩形和倒角蓄冷板的入口段表面平均風(fēng)速分布整體上高于其他階段的表面平均風(fēng)速，穩(wěn)定段和出口段的表面平均風(fēng)速分布較均勻。整個階段內(nèi)矩形蓄冷板的表面平均風(fēng)速高于倒角和圓角蓄冷板的表面平均風(fēng)速；由圖6(b)可見，在中流量3Q0工況下，迎風(fēng)面為圓角的蓄冷板表面平均風(fēng)速分布出現(xiàn)波動，整個階段內(nèi)存在較明顯的不均勻性，矩形蓄冷板的表面平均風(fēng)速普遍高于倒角和圓角蓄冷板的表面平均風(fēng)速；由圖6(c)可見，在大流量5Q0下，由于進(jìn)風(fēng)流量較大，空氣進(jìn)入風(fēng)道后不穩(wěn)定，受到蓄冷板迎風(fēng)面的反作用力后易產(chǎn)生紊流，蓄冷板表面平均風(fēng)速波動劇烈，入口段的表面平均風(fēng)速較小，明顯低于其他階段的表面平均風(fēng)速，空氣進(jìn)入穩(wěn)定段和出口段后表面平均風(fēng)速回升，其中圓角蓄冷板的表面平均風(fēng)速上升最大，相比于其他兩種迎風(fēng)面形狀的蓄冷板，在大進(jìn)氣流量的情況下更有利于空氣在其表面快速流動，從而能夠更好地促進(jìn)對流換熱[24]。綜上所述，在單蓄冷板試驗(yàn)中，在小流量Q0和中流量3Q0工況下采用矩形迎風(fēng)面的蓄冷板能達(dá)到最優(yōu)的對流效果，在大流量5Q0工況下采用圓角迎風(fēng)面的蓄冷板能達(dá)到最優(yōu)的對流效果。

(a) 小流量Q0

(b) 中流量3Q0

(c) 大流量5Q0圖6 不同流量下的單蓄冷板表面平均風(fēng)速Fig. 6 Average air velocity of the surface of single cold storage plate under different flow rate

3.3.2 雙蓄冷板表面空氣流速分析

為進(jìn)一步分析雙蓄冷板表面空氣平均速度的均勻性，引入標(biāo)準(zhǔn)差σ。標(biāo)準(zhǔn)差反映了組內(nèi)個體間的離散程度，σ越大，說明不均勻性越大，反之越均勻[25]。

(1)

式中：Ui——各測點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；

根據(jù)統(tǒng)計得到的每組試驗(yàn)中雙蓄冷板間隙內(nèi)的表面平均風(fēng)速及其標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果統(tǒng)計表Tab. 4 Statistical graph of test design and results

由表3可見，隨著進(jìn)風(fēng)流量的增大，蓄冷板間隙內(nèi)的表面平均空氣流速呈先上升后下降的趨勢，以雙圓角蓄冷板間距4 cm為例，小流量Q0、中流量3Q0、大流量5Q0工況下的表面平均風(fēng)速分別為0.51 m/s、1.82 m/s、1.29 m/s，在3Q0下最大。蓄冷板表面平均風(fēng)速出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因可能是進(jìn)風(fēng)流量增大后，穿過間隙通道中心和兩側(cè)的空氣量增大，表面風(fēng)速得到提高，但流速過大時，在通道中心形成了高風(fēng)速區(qū)，同時在間隙通道兩側(cè)形成速度分層現(xiàn)象，導(dǎo)致表面平均風(fēng)速下降。由此可見，對于優(yōu)化換熱流場來說，進(jìn)風(fēng)流量并非越大越好；在進(jìn)風(fēng)流量固定的情況下，隨著蓄冷板間距的增加，表面平均風(fēng)速整體上呈增大的趨勢，這是由于間距的增大使得間隙通道的橫截面積增大，空氣能更順暢通過蓄冷板間隙，使得表面平均風(fēng)速增大；隨著進(jìn)風(fēng)流量的增大，表面平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差整體上呈增大的趨勢，蓄冷板間隙內(nèi)的表面空氣流速越不均勻，這可能是由于間隙內(nèi)的空氣在靠近蓄冷板壁面處產(chǎn)生了邊界層分離或回流，導(dǎo)致流速分布不均勻，且進(jìn)風(fēng)流量越大，這種回流和速度不均勻性越強(qiáng)。綜上所述，在雙蓄冷板試驗(yàn)中，考慮到在保證標(biāo)準(zhǔn)差低于其平均值0.40的情況下，表面風(fēng)速平均值達(dá)到最大，所得到的對流效果最優(yōu)的參數(shù)組合為雙圓角蓄冷板、進(jìn)風(fēng)流量3Q0、擺放間距4 cm，其表面平均風(fēng)速為1.82 m/s。

4 結(jié)論

利用粒子示蹤技術(shù)(Particle Image Velocimetry, PIV)對不同迎風(fēng)面形狀、進(jìn)風(fēng)流量和擺放間距下的蓄冷板外圍空氣流動情況進(jìn)行研究，結(jié)論如下。

1) 隨著進(jìn)風(fēng)流量的增大，蓄冷板外表面和間隙內(nèi)的空氣流速不均勻性逐步增大。在小流量Q0和中流量3Q0下，蓄冷板外圍空氣平均流速沿蓄冷板兩側(cè)對稱分布，空氣流向和流速分布都較為均勻，在大流量5Q0下，粒子速度場呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，流速分布不均勻，空氣流向不穩(wěn)定；蓄冷板間隙內(nèi)的空氣流速標(biāo)準(zhǔn)差隨著進(jìn)風(fēng)流量的增大而增大。

2) 在單蓄冷板試驗(yàn)中，蓄冷板的迎風(fēng)面形狀影響表面空氣流速的大小和分布，且進(jìn)風(fēng)流量越大，影響作用越明顯。在小流量Q0和中流量3Q0工況下，采用矩形迎風(fēng)面的蓄冷板能達(dá)到最優(yōu)的對流效果，在大流量5Q0工況下，采用圓角迎風(fēng)面的蓄冷板能達(dá)到最優(yōu)的對流效果。

3) 在雙蓄冷板試驗(yàn)中，蓄冷板間隙內(nèi)的表面空氣流速隨著進(jìn)風(fēng)流量的增大呈先上升后下降的趨勢，隨著蓄冷板間距的增加呈增大的趨勢，得到對流效果最優(yōu)的參數(shù)組合為雙圓角蓄冷板、進(jìn)風(fēng)流量3Q0、擺放間距4 cm，其表面平均風(fēng)速為1.82 m/s。