保护器测试系统恒温箱的CFD研究与实验验证

2015-02-19黄跃进顾江萍

浙江工业大学学报 2015年3期

关键词：恒温箱均匀度数值模拟

沈　希，张　舒，徐　鸣，黄跃进，顾江萍

(浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310014)

保护器测试系统恒温箱的CFD研究与实验验证

沈希，张舒，徐鸣，黄跃进，顾江萍

(浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州 310014)

摘要：为了测试压缩机保护器在特定温度的运行情况，需要对温度进行必要的控制.针对保护器温度特性检测系统中的恒温箱均匀度差的问题，建立了恒温箱流体域CFD数值模型，得到了恒温箱的温度场、速度场模型.恒温箱内5个测温点温度数据与模拟数据基本吻合，验证了该数值模型的正确性.分析结果表明：送风温差适当的降低有利于温度均匀性的改善，同时送风速度及恒温箱结构也对恒温箱均匀度有很大的影响.

关键词：恒温箱；温度场；均匀度；数值模拟

CFD modelling and experimental verification on thermostat

of protector testing system

SHEN Xi, ZHANG Shu, XU Ming, HUANG Yuejin, GU Jiangping

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:In order to test the operating conditions of the compressor protector under specific temperature protection， necessary control of the temperature is needed. Aiming at problem of average degree of the temperature characteristic test system of protector，the CFD numerical model of thermostat is established to get temperature field and velocity field .Using Delphi for upper machine, data collected from five points on the test surface matched the simulated data. It verifies the correctness of the numerical model. Analysis results show that appropriate reducing of supply air temperature is conducive to the improvement of average degree and the supply air’s velocity and the structure of thermostat also have great influence on incubator evenness.

Keywords:thermostat; temperature field; average degree; numerically simulation

目前，大部分压缩机选配的热保护器都是圆盘型过热过流保护装置.此结构中的电触点，利用碟片的动作控制电路通道.保护器串联到一个单相电动机公共端子，电流流过保护器的发热丝和双金属片产生了热量.双金属片的温度既受电机绕组电流的影响也受压缩机壳体温度的影响，保护器兼有过热和过流的保护功能.因为保护器的温度特性关乎制冷设备的安全性，所以动作温度和恢复温度便成了极其重要的参数[1].在恒温箱的温度测试系统设计上，已有很多成果.高峰以提高温度控制的精度，减小温度控制的过渡过程时间，降低测控系统的硬件成本为目标，进行了优化设计[2]，张雷杰等通过CFD软件对恒温箱内的两种气流组织进行了模拟和实验验证[3]，周晓设计出了无线传感网络用于采集温度并上传[4].在数值模拟方面，张建胜采用了带旋流修正的RealizableK—ε湍流模型对风压进行了分析[5]，童跃平等对离心泵的内部流场流动情况进行了两种模型的对比分析[6].

在以往的温度测试中，我们主要关注的是测试过程和测试结果是否满足规范要求，对于影响测试结果的温度均匀度等因素往往有些忽视[7].因此，笔者以一台保护器测试装置的恒温箱作为研究对象，采用fluent6.3软件，建立恒温箱流场三维参数化实体模型，对恒温箱的温度场与速度场进行了分析，对数值模拟的结果与实验进行验证.

1恒温箱流场数值模型研究

1.1基本控制方程

假设流体为不可压缩的牛顿型流体且考虑常物性和宏观热能守恒的，恒温箱内流体的流动和传热必须满足下面3个方程和Boussinesq模型[8-9].

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程(运动方程)为

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程为

(5)

Boussinesq模型为

(ρ-ρ0)g≈-ρ0β(T-T0)g

(6)

式中：u，v，w分别为流体在x，y，z三个方向上的速度分量；ρ为流体密度；μ为动力粘度；Su，Sv，Sw分别为动量守恒方程的广义源项；T为流体温度；λ为流体的导热系数；CP为比热容；ST为流体的内热源及粘性作用流体机械能转化为热能的部分，简称粘性耗散项；ρ0为流体的常密度；T0为操作温度；β为热膨胀系数.

1.2计算模型

对于模型的建立先参考实际的恒温箱画出模型如图1所示，再导入到前处理软件gambit中，采用非结构化的三角形网格,如图2所示.建模所采用的恒温箱的具体尺寸由于篇幅太长不再赘述，计算工况如表1所示.

图1　恒温箱模型图Fig.1　Modle of thermostat

图2　恒温箱网格图Fig.2　Grid of thermostat

名称参数名称参数流体空气热膨胀系数0.0187墙壁钢铁重力加速度/(m·s-2)9.81初始温度/℃45比热容/(J·kg-1·℃-1)1012叶轮转速/(rad·s-1)293加热管功率/(kW·m-3)769

1.3模型计算与边界条件的简化

由于恒温箱尺寸跨度比较大，离心叶轮的结构相对复杂，所以在物理量基本准确的前提下，模型的建立可进行如下简化假设：1) 忽略上下孔板结构；2) 忽略离心叶轮的扇叶的具体尺寸；3) 假设流体流动和传热过程是均一、稳定的；4) 流体为牛顿流体、不可压缩、各向同性且连续[10]；5) 不考虑箱体壁厚；6) 只考虑加热情况，不考虑制冷情况.

计算边界条件的简化：1) 由于模型中的流到属于静网格，扇叶属于动网格，所以在考虑采用MRF多重参考系统进行耦合(Multi-reference.Frame)；2) 空气出口采用出流(outflow)；3) 加热管加热采用共轭传热，加热管区域设置为热源.

本模型属于K—ε湍流，计算中选用模型进行湍流模拟.求解的条件用非耦合求解、隐式算法、三维空间、非定常流动与绝对速度；控制方程的离散采用一阶迎风式，速度与压力的耦合采用SIMPLE算法，其他保持默认设置[11-12].

2计算结果与分析

图3是计算260 s后恒温箱Y=0 m中截面等速度分布图，从图3中可以看出：在恒温腔体的左侧存在着涡流区域，这是由于腔体左侧聚集了能量较低的流体，而腔体流道中存在逆压梯度，这样在左侧就产生了气体的回流.就因为这样涡流区域的存在，影响了气流向左侧的移动，从而对恒温箱内气流温度与速度分布的均匀性产生影响.

图3　Y=0 m等速度分布图Fig.3　The Velocity profile of Y=0 m

图4是Z=0 m的中截面速度矢量图，由图4可以看出：叶轮流场的矢量图明显为非对称，尽管恒温箱总体在结构上有对称性，但在图4下方正方形缺口处存在一个需要给触点接线的金属板结构，该结构破坏了恒温箱整体的对此性.在靠近金属板的一侧产生了速度较大的射流，这使得气流在循环过程刚开始出现了不对称.从上面的分析可以预见，要想优化恒温箱温度均匀性，可以将触点板移至外部，从而改变气流组织条件.

图5是测试平面的温度图，由仿真结果可以看出：温度右边的要明显大于左边，且根据多组数据观测，右下角与中间区域位置的温度最高.产生这样的原因就是因为气流从顶部回到叶轮进气口过程中，产生了比较大的涡流，使得测试板左边空气不能正常的进行换热，即产生了温度死区.

图4　Z=0 m速度矢量图Fig.4　The velocity vector diagram of Z=0 m

图5　测试平面温度图Fig.5　The image of test surface temperature

3实验验证与分析

实验过程中采用研华工控机为控制单元，PCL-730卡为I/O卡，PCL-813卡为A/D采样卡，温度传感器采用PT100，上位机软件由Delphi编写，采用access 2007数据库对需要采集的数据进行自动存储，可以避免人工的查询与记录.

测试平面温度传感器布线方式如图6所示，在模型中进行多次仿真然后与结果相对比，图7为工况一的实验与模拟对比图，经过多次实验对比发现，测试点4处的模拟值与实际值偏差较大，测试平面的总体温度趋势与实际的温度趋势吻合的较好，故该模型可用于实际恒温箱内部温度场的预测.为了研究叶轮的转速，加热管功率等在恒温箱内的影响，在表1仿真基础上设置几组边界条件进行模拟如表2所示.由工况一、二可以看到，当增加叶轮转速，即增大送风量可明显改善温度均匀性；由工况一、三可以看出，当减小加热管功率，即减小送风温差也能明显改善温度场的均匀性.

在实验中，送风温差取决于加热管与制冷机组热平衡后的热负荷，送风量取决于风机的转速.采用热平衡方式，即制冷机组常开，用加热管平衡多余的制冷量可以减小送风温差；还可以对加热管开关量进行更加精细的PID连续调节，这样可以减小温度波动从而增加温度均匀性；对于增加送风量，在试验标准允许条件下提高风速，可以加强空气在箱内流动，消除死区，从而提高温度均匀度.

图6　温度探头布置图Fig.6　The layout of temperature sensor

图7　工况一的实验与模拟对比图Fig.7　The experimental contrast figure of condition 1

边界条件工况一工况二工况三叶轮转速/(r·s-1)300100300加热管功率/(kW·m-3)800800400观测面最大温差/℃2.44.62.0

4结论

根据实际恒温箱的具体尺寸、工况建立了模型，对其进行了数值模拟和实验验证，利用fluent软件对恒温箱的整体进行了数值计算，揭示了箱体内速

度场和温度场的分布特点.因为网格生成的难度，所以模型中简化了上下孔板的结构，过程中也没有考虑扇叶的具体尺寸.温度实验值与模拟值最大偏差在5%内[13]，总体的模拟结果与实验测得吻合良好，温度分布符合实际情况.由仿真结果可以看出：减小送风温差和提高风循环速度都可以提高恒温箱内的温度均匀性，但从实际角度考虑，减小送风温差的方法更加经济可行，这就需要在温度控制上从原来的PID控制转为更加精细的控制方法.由于恒温箱无法做到结构上完全对称，在靠近离心叶轮的一方产生了速度较大的射流，气流进入测试环境后，左边气流速度大于右边，出现温度不均匀，为了弥补结构上的缺陷，可在恒温箱上方添加挡风板和交叉条，从而增加结构的对称性.

参考文献：

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