低温工况下高低温环境试验箱入口参数研究

李东生，陈清华，王建刚, ，王皖楠

（1.安徽理工大学机械工程学院，淮南 232001； 2.广东立佳实业有限公司，东莞 523000）

引言

高低温环境试验箱工作室温度场的均匀性是环境试验结果准确性的重要影响因素之一[1,2]。为研究高低温环境设备工作室气流组织对温度均匀性的影响，国内外学者进行了大量相关研究。J.Sun等[3]研究了空气幕对开放式垂直冷藏柜性能的影响。孟祥麟等[4]对一种新型冰箱内部进行温度场分析，并结合实验数据提出减少热量损失的方法。赵秀红等[5]对自行设计的多温区恒温箱进行温度场均匀性研究。Zhang Chaolei等[6]使用数值模拟方法，分析家用冰箱内部突出结构对气流循环和传热的影响。曾宪顺等[7]对间冷式酒柜进行研究，结果表明增强空气的湍流强度有利于提高温度场均匀性。Wang Liming等[8]使用多孔阶跃模型，并对自动开关机循环工况下冷饮柜工作室气体流动和温度变化进行数值模拟。E.Söylemez等[9]通过数值模拟和实验验证的方法确定了混合型家用冰箱热电制冷器安装的最佳位置。白通通等[10]使用三维稳态的SST k-ω湍流模型研究冷藏库内流场的分布特性及货物的冷却效果，发现竖壁贴壁送风可以获得更均匀的温度场和速度场。王志奇等[11]采用CFD数值模拟方法研究热风循环隧道烘箱内部流场及温度分布，并进行结构优化。

在现有的研究中，对于高低温环境设备送风角度和送风速度对工作室温度场均匀性影响的研究较少。以高低温环境试验箱为研究对象，建立工作室三维模型，对不同进风角度和进风速度下的流场和温度场进行数值模拟，为高低温环境试验箱的设计生产提供理论指导。

1 高低温环境试验箱送风模式

高低温环境试验箱是通过气流实现工作室内热量交换的试验设备，采用合理的送风模式可以降低外界环境对工作室温度场的干扰，增加温度场的稳定性，降低试验过程中的温度波动。

常见高低温环境设备的送风模式分为竖直均匀送风、水平均匀送风和贴壁送风三种。图1（a）为竖直均匀送风，气流从工作室顶部进入。这种送风方式适用于长距离送风，但是近壁面处的温度均匀性难以保证，易受外界温度条件的影响。图1（b）为水平均匀送风，与竖直均匀送风具有相似的优缺点，但在短距离送风条件下气流不易受到重力的影响。图1（c）为贴壁送风，气流从工作室后方上部进入并形成环流将工作区中心区域与换热壁面隔开，可以降低换热壁面对温度场的影响。但在工作室体积较大时所需的进风速度较高，工作室流场处于大雷诺数的复杂湍流状态，温度场的稳定性较差。

图1 高低温环境试验箱送风模式

为了尽可能提高环境试验箱工作室温度场的均匀性，选择贴壁送风模式，气流从工作室后方上部进入工作室，从工作室后方下部流出。现实条件下理想的贴壁循环流动很难形成，因此有必要对进风速度和进风角度进行调整，以形成理想的贴壁循环。

2 数值模拟分析

2.1 基本假设

为了使工作室流场的数值计算能够进行，必须对所研究的物理问题进行合理的简化。本文对所研究的问题进行以下假设[12]：①试验箱内的循环气流低速不可压缩，流动形式为湍流；②循环气流与壁面发生自然对流换热；③试验箱内流体符合Boussinesq假设；④流体与壁面间的辐射换热忽略不计。

2.2 建立物理模型

高低温环境试验箱内箱材料为SUS304，保温材料为聚氨酯发泡板，试验箱内部空间的尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，观察窗尺寸为350 mm×500 mm，试验箱中部使用两个多孔层板将空间分为上、中、下三层，使用背板顶部进风、底部回风的送风模式。

图2 高低温环境试验箱工作室结构

2.3 数学模型

贴壁循环的气流组织形式有利于提高温度场的均匀性，在贴壁送风中，气流冲击到壁面会发生弯曲，可以使用RNG k-ε、SST k-ω模型对气流的弯曲现象进行修正，但是经验表明SST k-ω模型的计算精度更高[13-14]。由于试验箱内流体被视为低速不可压缩流体，使用收敛速度较快的PISO算法、二阶迎风离散格式的分离式求解方式，其具体控制方程如下[15,16]：

1）连续性方程

式中：

ρ—空气密度；

t—时间；

u—速度矢量。

2）动量守恒方程

式中：

p—静压力；

F—微元所受质量力矢量；

μ—分子粘度；

I—单位张量。

3）能量守恒方程

式中：

T—温度；

a—流体热扩散率；

ST—粘性耗散项。

4）湍流模型

式中：

μt—湍流粘度；

ω—比耗散率；

y—微元体与壁面间的距离。

5）湍动能方程

式中：

ui—某一方向速度；

Pk—湍动能发生项；

β*、σk—湍流模型系数。

6）多孔阶跃模型

多孔阶跃模型实际上是对多孔介质模型的一维简化，与整体多孔介质模型相比多孔阶跃模型更健壮，稳定性和收敛性更好，多孔阶跃模型的具体形式是达西定律和惯性损失项之和[17]。

式中：

φ—多孔介质渗透率，m2；

v—介质面的法向速度，m/s；

C2—压降系数，1/m；

Δm—多孔介质的厚度，m；

Dp—孔板的平均直径，m；

η—多孔板的孔隙率。

2.4 边界条件

试验箱入口温度受到工作室温度变化的影响，不是恒定的，将进口温度随时间变化的实验数据拟合成公式，并编写UDF函数。环境箱试验区后部区域与蒸发器仅通过一层304不锈钢板隔开，近似认为后壁面外环境温度为蒸发器出口温度。利用传感器测量底部冷凝器的温度并取平均值作为除后壁面外其他壁面外环境温度。为了防止观察窗玻璃在低温下结霜，编写UDF函数经验性地选择60 W的热源在其周围进行加热，试验箱内部多孔隔板设置为多孔阶跃边界条件，内部所有壁面均使用对流边界条件，边界条件设置如表1所示。

表1 边界条件

2.5 数值模拟结果分析

贴壁循环的气流循环形式避免了试验区中心与壁面发生直接的热量交换，有利于试验区流场的均匀性。进风角度过大不利于形成理想的贴壁循环，所以本文只对30 °、20 °、10 °的进风角度进行了研究。同时考虑到试验箱使用过程中风速不应过大，所以本文只研究了3 m/s、4 m/s、5 m/s的进风风速。在对应进口角度和进口风速条件下，分别分析Y=0.1 m，Y=0.5 m和Y=0.9 m截面的温度云图和整个工作室流场的流线图。

图3是进风角度30 °进风速度分别为3 m/s、4 m/s、5 m/s的流线图和温度云图。从温度云图可以看出，试验箱上部的温度均匀性相对来说较差，观察流线图可以看出上部空间的流场存在由观察窗处形成的回流，这部分回流将观察窗处的热量带回上部空间，造成局部温度明显升高。对比三种风速工况下各截面的温度云图，明显可以看出随着风速的升高，试验箱内温度场的均匀性提高。

图3 进风角度、进风速度流线图及温度云图

图4是进风角度为20 °，进风速度分别为3 m/s、4 m/s、5 m/s时的流线图和温度云图。对比分析三种速度工况下的温度云图可以发现速度的上升有利于试验箱制冷效果的提升，但对于温度场均匀性的改善不明显。从流线图中可以观察到，试验箱内上部流线比较稀疏，中下部流线比较密集，这说明中下部区域对流换热更加充分，从温度云图中也可以看出中下部区域的温度均匀性更好。

图4 进风角度、进风速度流线图及温度云图

图5是在进风角度为10 °时，进风风速分别为3 m/s、4 m/s、5 m/s的流线图和温度云图。对比三种风速下的流线图可以观察到，三种进风风速均可以形成较好的贴壁循环，气流组织很好地将有效工作室包裹起来，降低了观察窗玻璃四周恒功率热源加热的影响，试验区总体温度均匀性较好。但是在进风速度为3 m/s时，下部空间温度均匀性较差，观察流线图可以发现下部空间的流线较为稀疏，可以理解为下部空间的流速较低，对流换热不充分。观察试验箱中部温度云图可以发现靠近两侧壁面处存在明显的温度较高区域，造成这个现象的原因是壁面处的保温材料厚度不够，造成热负荷较高。

图5 进风角度、进风速度流线图及温度云图

综合对比进风角度为30 °、20 °、10 °的工况下，不同的进风速度的流线图及温度云图，发现在较高进风速度和较小进风角度下整体温度场的均匀性更加理想，同时增加进风速度有利于制冷效果的提升。

3 实验验证

为了验证数值模拟结果的可靠性，保证数值模拟结果对高低温环境试验箱的设计生产具有指导意义，本文对试验箱内部空间温度场进行实测工作。

在试验箱工作室内定出上中下三个水平测试面，简称上、中、下层。上层与工作室顶面的距离是工作室高度的1/10，中层通过工作室的几何中心，参考国标GB/T 10586-2006 《湿热试验箱技术条件》温度测点选择9个[17]。测试点布置于三个测试面上，中心测试点位于工作室几何中心，其余测点到工作室壁的距离为各自边长的1/10[18]，如图6所示。

图6 测点布置示意图

实验平台搭建如图7所示，温度使用Keithley数字仪表进行测量，使用手持式风速仪测量风速。将T型热电偶参照图布置到测试空间中，并对测点位置进行测量，测量结果如表2所示。另外在环境试验箱外部设置一个温度传感器T9用于监测环境温度。

图7 实验平台

表2 各测点位置坐标

设置进风速度5 m/s，进风角度分别为10 °和30 °，实验温度为-70 ℃，在工作室温度稳定之后，记录30 min内各测点的温度数据，采样周期为1 min。根据10个测点的温度数据，绘制曲线如图8和图9所示。试验箱中的温度均匀度按照式（11）计算[18]：

图8 进风角度10 °稳定温度趋势

图9 进风角度30 °稳定温度趋势

式中：

ΔTu—温度均匀度，℃；

Tjmax—各测量点在第j次测量中的实测最高温度值，℃；

Tjmin—各测量点在第j次测量中的实测最低温度值，℃。

根据式（11）分别计算数值模拟和实验结果的温度均匀度，仿真结果表明进风角度为10 °时的温度均匀性较进风角度为30 °时提升0.81 ℃，实验结果表明进风角度为10 °时的温度均匀性较进风角度为30 °时提升0.98 ℃。

最后对进风角度30 °和10 °时的数值模拟结果和实验数据进行对比，发现两者存在约为0.6 ℃的平均偏差，这是由于试验箱温度调节的滞后性导致的。数值模拟和实验结果趋势一致，说明本文采用的数值模拟方法是可行的。

4 结论

本文通过数值模拟分析了不同进风角度和进风风速对试验箱工作室温度场均匀性的影响，并与实验数据进行了对比分析，得到如下结论：

1）较小的进风角度有利于形成贴壁循环，较大的进风速度可以使气流组织在工作室前部的对流换热更加充分，有利于提高试验箱工作室温度均匀性。

2）环境试验箱两侧壁面处的热负荷较高，造成温度场的不均匀性增大，应适当增加保温层厚度降低热负荷。

3）通过数值模拟结果与实验数据相对比，发现两者存在一定差距，但是具有相同的趋势，验证了本文采用的数值模拟方法的可行性，为高低温环境试验箱的设计和生产提供理论指导。