海洋氣氛風道模擬試驗風場數值分析與優化研究

李鴻飛，向江濤，陳星昊,2，羅 丹,2，楊昊雨

(1.西南技術工程研究所， 重慶 400039； 2.海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站， 海南 萬寧 571522)

1 引言

在海洋大氣環境中，飛機、艦船上的電子產品容易發生故障，金屬部件易發生腐蝕。考慮產生這些問題的主要原因是海洋大氣環境中氯離子的含量較高。現有鹽霧試驗箱雖能完成金屬相關的鹽霧試驗，但其產生的鹽霧為小顆粒水滴，對電子產品易造成過試驗，無法模擬電子產品的試驗環境。因此研制海洋氣氛模擬試驗設備，使鹽霧氣氛狀態更接近自然環境，從而解決電子產品的鹽霧試驗具有重要的意義。對于同一批樣品而言，應使海洋氣氛模擬試驗設備試驗箱內同一水平面上的鹽霧沉積率盡可能的接近，從而減小因鹽霧沉積率的不同而對試驗結果產生較大的差異。經試驗發現，試驗箱內的風場分布對鹽霧沉積率具有較大的影響，風速越大，鹽霧的沉積率越大。因此研制海洋氣氛模擬試驗設備時，仿真分析箱體內部的風場流動具有重要的意義。目前，一種主要的手段是采用ICEM-CFD和Fluent仿真軟件進行流體仿真。因此本文中采用ICEM-CFD和Fluent仿真軟件針對設備原始結構和優化后的內部風場進行了仿真，并對比分析了原始結構與優化后結構的風場分布、中心水平面風速范圍和試驗箱體中心風速。

2 海洋氣氛模擬試驗設備模型

2.1 原始結構三維模型

海洋氣氛模擬試驗設備針對不同鹽霧沉積率設計，可在一定可變溫度、溫度范圍內開展鹽霧氣氛試驗，也可單獨開展濕熱試驗等。設備主要由底座、內箱、外箱、后箱、控制箱和箱門組成，其整體長約為1 800 mm、高約為2 180 mm、深約為2 640 mm，如圖1所示。

2.2 原始結構仿真簡化結構

本文以海洋氣氛模擬試驗設備U型風道和試驗箱為原始研究對象，其原始結構U型風道和試驗箱內部風向流動如圖2所示。因此根據海洋氣氛模擬試驗設備風機位置和內部結構得到簡化后的仿真結構，如圖3所示。

圖2 海洋氣氛模擬試驗設備原始內部結構

圖3 海洋氣氛模擬試驗設備原始仿真結構

3 原始模型風場仿真分析

3.1 模型假設

建立U型風道和試驗箱數學模型，在模擬過程中對模型采用以下簡化假設：

1) U型風道和試驗箱內的氣氛為不可壓縮氣體并且滿足Boussinesq假設[1]；

2) 忽略壁面間的熱輻射作用，假定溫度變化對氣氛物性參數無影響，設定各物性參數為常數[2]；

3) 不考慮氣氛模擬過程中水蒸發等傳質因素影響[3]；

4) U型風道和試驗箱密閉性良好。

根據假設(1)—(4)，考慮氣氛在U型風道和試驗箱內部循環為復雜的湍流運動，因此選擇紊流模型求解。由于模型計算收斂性較高，精確性符合工程要求，因此在工業中的應用越來越廣泛。采用較為成熟的SIMPLE算法對U型風道和試驗箱內循環風場分布特性進行仿真計算[1-5]。采用有限體積法控制方程中的質量、動量和能量守恒等。

質量守恒方程為：

(1)

動量守恒方程：

x方向：

(2)

y方向：

(3)

z方向：

(4)

能量守恒方程：

(5)

其中：μ為動力黏度，N·s/m2；u、υ和ω分別為速度矢量在x、y、z上的分量；Cp為比熱容，J/(kg·℃)；T為溫度；K為流體的傳熱系數,W/(m2·K)。

3.2 網格劃分

根據海洋氣氛模擬試驗設備仿真結構尺寸和風機位置，利用ANSYS中的ICEM CFD構建仿真模型的內流場結構。根據內流場結構模型，建立風機、內壁、外壁的PART。外矩形命名為WALLOUT，風機命名為FAN1和FAN2，其余命名為WALLIN，如圖4所示。根據內流場模型結構，主要為矩形和45°斜線，因此考慮采用結構化網格進行劃分，將仿真模型劃分成三角形和矩形，再將三角形進行Y型剖分，并將對應的邊線進行關聯[6-8]。通過Edge Params命令對Y型剖分等區域進行網格調節，生成網格質量優異，其網格如圖5所示。

圖4 海洋氣氛模擬試驗設備仿真PART

3.3 邊界條件及參數

在ANSYS Fluent軟件中導入模型網格，利用Check和Report Quality對網格的質量進行檢查后，設置重力為Y軸負向，大小為9.81 m2/s且仿真為基于壓力的穩態計算[9-11]。

本文求解的對象是密閉U型風道和試驗箱的風場內循環，采用湍流模型進行仿真分析，因此打開能量方程并選擇湍流k-ε模型。風機處設置邊界條件為fan,設置壓差為100 Pa，并根據風場流動設置其方向。此仿真的目的主要是為了模擬風場的風布，不考慮加熱加濕等的調節。風運動過程與U型風道和試驗箱壁無摩擦溫升，因此其余壁面設置為wall，且溫度均設置為300 K。仿真殘差均設置為10-6，仿真步數設置為5 000[12-15]。

3.4 原始結構仿真結果分析

根據仿真結果，利用CFD-Post軟件獲得原始結構速度云、速度流線如圖6、圖7所示。根據海洋氣氛模擬試驗設備仿真速度云圖測量其試驗箱中心處風速為0.24 m/s，速度較低。對于同種試驗樣品的試驗，希望在同一水平面上風速相差不大，從而減小速度差異對鹽霧氣氛沉積率的影響，而從圖6、圖7中可以看出，在試驗箱同一水平面上速度相差較大。因此需要提高試驗箱體內中心風速和同一水平面的風速均勻性。

圖6 海洋氣氛模擬試驗設備速度云圖

圖7 海洋氣氛模擬試驗設備速度流線

3.5 送風方式優化

根據原始結構仿真結果，考慮將出風水平吹出，并在試驗箱體內上部添加引流部件。將引流部件安裝在與右側風機最低處。兩處風機出口高度均設計為110 mm，在引流板上設置許多的孔，孔的寬度為15 mm，每相隔25 mm設計1個孔。每300 mm設計1個引風板，靠近風口的引風板最低，后面依次增高，其高度依次為30、40、50 mm，如圖8所示。

圖8 引流部件模型

4 優化后結構仿真分析

4.1 建立優化后三維網格

基于設計引流部件結構和安裝位置，建立海洋氣氛模擬試驗設備三維流場仿真模型，如圖9所示。根據實際情況建立相應的PART，主要包括：FAN1、FAN2、WALLIN、WALLOUT、WALLPARALLEL。考慮此結構主要為長方體、槽圓孔和斜面，因此采用結構化網格進行劃分，斜面處采用Y型剖分，其塊劃分結果如圖10所示。利用Blocking下的Pre-mesh命令，總共生成 1 859 944個結點和 1 804 563個六面體網格，其網格質量較好。

圖9 海洋氣氛模擬試驗設備三維仿真模型

圖10 海洋氣氛模擬試驗設備Blocking劃分

4.2 邊界條件及參數

三維仿真模型的FAN1、FAN2、WALLIN、WALLOUT的設置條件和二維一樣，WALLPARALLEL和WALLIN設置條件一樣,導入后內部模型如圖11所示。因為三維仿真更加復雜，耗時更長，因此使用默認殘差，步數設置為8 000。

圖11 Fluent引流板三維內部模型

4.3 仿真結果分析

利用CFD-Post得出設備結構優化后的仿真速度云圖、速度流線如圖12、圖13所示。從圖12、圖13測量可以得出，其中心風速為1.545 5 m/s，其同一水平面的風速差異相對較小，滿足設計需求。

圖12 海洋氣氛模擬試驗設備三維仿真速度云

圖13 海洋氣氛模擬試驗設備三維仿真速度流線

4.4 原始與優化后結果對比分析

在海洋氣氛模擬試驗設備原始模型風場仿真速度云圖的試驗箱中心位置作一條水平線如圖14所示。

圖14 原始模型仿真中心水平線速度

同理在優化后的仿真結果速度云圖上也作一條水平線。將線上的點導出，并利用Matlab繪制中心水平風速曲線，原始結構風速區間為(0.16～9.18)m/s,中心風速為0.608 8 m/s；優化后風速區間為(0.34～2.14)m/s，中心風速為 1.545 5 m/s，如圖16所示。由圖16可以看出，當壓差為100 Pa時，優化后的結構有效的提高了同一水平面的風場均勻性，同時明顯的提高了中心風速。因此此種方法能夠滿足設計的基本需求，有效的改善了風場的分布，提高了鹽霧氣氛沉降均勻性。

圖15 優化后模型仿真中心水平線速度

圖16 設備原始與優化后仿真中心水平線速度比較曲線

5 結論

本文以海洋氣氛風道模擬試驗設備為研究對象，利用ICEM-CFD和Fluent仿真軟件對其原始和優化后的U型風道和試驗箱分別進行內流場仿真分析。當壓差為100 Pa時，原始結構風速區間為(0.16～9.18)m/s,中心風速0.608 8 m/s；優化后風速區間為(0.34～2.14)m/s，中心風速為1.545 5 m/s。優化后的結構有效的提高了試驗箱同一水平面的風場均勻性和中心風速。因此此種方法能夠滿足設計的基本需求，有效的改善了風場的分布，提高了鹽霧氣氛沉降均勻性。