基于PIV可视化的蓄冷板外围流场优化研究*

夏晶晶，林诗涛，王飞仁，王广海，黄远广，郭嘉明, 3

(1. 广东机电职业技术学院，广州市，510515； 2. 华南农业大学工程学院，广州市，510642；3. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室茂名分中心，广东茂名，525000)

0 引言

蓄冷技术利用夜间用电低谷充冷，白天放冷，具有节能环保等优点。相变材料(Phase Change Materials, PCM)利用自身相态变换进行蓄放冷，具有蓄冷量大、传热效率高、可重复使用等优点[1-3]，目前已应用于蓄冷运输箱中[4]。蓄冷板主要有两种类型：内部带蒸发盘管的固定冷板和不带蒸发盘管的活动冷板，冷板外形尺寸、结构对蓄冷性能的影响较大[5]。

华南农业大学研制的无源蓄冷温控运输箱利用活动的铝合金蓄冷板存储冷量，并将货物区与蓄冷板隔开[6]，通过风机将蓄冷板的冷量经由循环风道引出至保鲜区，使环境温度保持在适宜的范围内[7-8]，具有运输灵活[9]、保温性能优良[10]、运行可靠[11]等优点，但蓄冷板形状、进风流量等参数对蓄冷板对流换热的影响尚未明确。

李健等[12]提出，交错斜排列菱形翅片形状的冷板在可调流量的散热系统中的散热效果最优。王燕令等[13]提出，不同截面形状的冷板槽道在不同流动特征下的散热效果不同，各工况下圆形通道散热效果最差。粒子图像测速技术作为一种非接触式的瞬变全流场测量技术，能够在同一时刻记录场的速度传播，提供流场空间结构流动以及信息特征[14]，可为蓄冷板对流换热优化提供帮助。吴永忠等[15]等利用高速粒子测速系统(PIV)获取了优化后风力提水机翼型的表面速度分布云图和表面速度曲线。Dogan等[16]使用粒子图像测速系统(PIV)对新型涡流发生器生成的涡流进行可视化，指出放置在通道内的两个涡流发生器之间的横向间距是增强传热效果的重要参数。Goktepeli等[17]使用粒子图像测速系统(PIV)测量了不同雷诺数下肋板通道内的速度矢量和涡度等值线，指出增加湍流强度可增强通道内的传热效果。Steven等[18]使用PIV和热电偶分别测量了矩形外壳内熔融PCM的二维速度场和温度场，指出流体速度对液体PCM域内的热传输和整体熔化速率及其模式有显著影响。

综上所述，在冷板换热过程中，空气与冷板对流换热的效果与冷板的形状和尺寸、空气流动特征等因素有关，目前保鲜用蓄冷板的流场研究较少，因此有必要利用PIV对蓄冷板的外围流场进行深入研究。蓄冷板外围空气流速是影响换热效率和对流换热系数的重要参数[19]，本文通过粒子图像测速试验台获取蓄冷板外围空气流动参数，为蓄冷板外围流场优化提供参考，以期为提高蓄冷板的冷量释放效率提供依据。

1 试验装置和测量设备

课题组自主搭建的粒子图像测速系统如图1所示，主要由管道风机、风道试验台、PIV测量系统和数据处理系统组成。

图1 粒子图像测速系统Fig. 1 Particle image velocimetry system1.激光发生器 2.激光发射器 3.空压机 4.粒子发生器 5.管道风机 6.有机玻璃管道 7.导流网 8.进风口 9.风道试验台 10.蓄冷板 11.出风口 12.CCD相机 13.同步器 14.计算机

风道试验台的上盖板和激光射入面的材料为透明亚克力板，以便于CCD相机的拍摄以及激光的透入，其余各面均由黑色哑光塑料板围护而成，避免激光反光损坏CCD相机[20]。

在风道进风口处布置了蜂窝状的导流网，使进口空气形成层流，均匀地进入风道试验台内，并可通过调频器调节风机的转速，改变风道的进口空气风速，进而改变进口空气流量。风速由叶轮式风速仪标定，均匀标定进风口截面处五个位置的风速值并取平均得到进风风速和进风流量，波动在±0.1 m/s内视为标定完成。粒子图像测速系统主要组成设备型号和参数如表1所示。

表1 测量系统主要组成设备型号和参数Tab. 1 Main equipment types and parameters of measurement system

2 流速测量方案

2.1 测量区域和测量结构参数

测量区域及拍摄平面的几何参数如图2所示，测量区域覆盖整个风道试验台，尺寸(长×宽)约为：500 mm×130 mm。激光从蓄冷板背风面一侧射入，拍摄平面为蓄冷板高度方向的一个水平二维截面，位于风道试验台的上盖板以下，距离风道试验台底部约110 mm。

(a) 俯视图

(b) 侧视图图2 测量区域及拍摄平面示意图Fig. 2 Schematic diagram of measurement area and plane1.进风口 2.片光源 3.出风口 4.激光 5.风道试验台 6.蓄冷板 7.拍摄平面

蓄冷板的形状尺寸如图3所示，蓄冷板迎风面的形状分别为矩形、倒角和圆角，测量的主体结构为铝合金蓄冷板壳体，尺寸(长×宽×高)约为：200 mm×20 mm×60 mm。

(a) 矩形迎风面 (b) 倒角迎风面 (c) 圆角迎风面图3 蓄冷板形状尺寸Fig. 3 Shape and dimension of cold storage plate

2.2 流体测量工况

根据蓄冷运输箱中蓄冷板的应用环境[21]，并结合试验条件和相关文献，选取3个进风量：小流量Q0、中流量3Q0、大流量5Q0(Q0表示进风风速为1 m/s时的空气流量)，以及3个摆放间距：2 cm、3 cm、4 cm。

为了探究不同影响因素对蓄冷板外围流场的影响，设计了单蓄冷板和双蓄冷板的流场测量试验。进行单蓄冷板试验过程中，保持进风流量不变，分别对单块矩形、倒角、圆角蓄冷板进行流场测量，而后改变进风流量重复相同步骤，探究不同进风流量对蓄冷板流场的影响；进行双蓄冷板试验过程中，保持进风流量和蓄冷板之间的摆放间距不变，分别对两块矩形、倒角、圆角蓄冷板进行外围流场测量，而后改变进风流量和摆放间距重复相同步骤，进行3因素3水平的试验，探究进风流量、摆放间距对蓄冷板外围流场的影响。单蓄冷板和双蓄冷板试验因素及水平分别如表2、表3所示。

表2 单蓄冷板试验因素及水平Tab. 2 Test factors and levels of single cold storage plate

表3 双蓄冷板试验因素及水平Tab. 3 Test factors and levels of double cold storage plate

3 流场测量数据处理和结果

3.1 PIV测量数据的获取与处理

采用Dynamic Studio 6.0软件进行图像标定、拍摄、数据采集和后处理等。获得测量结果后，对测量区域中的无关、反光以及模糊的部分进行剔除，仅保留蓄冷板周围的部分，然后对图像进行相关算法和矢量化处理，获得速度场云图，并使用Tecplot 360 EX 2020 R1软件对速度场云图进行空气流线可视化处理，显示蓄冷板外围空气的流动特征。

使用PIV采集功能，如图4(a)所示，提取空气流体沿单块蓄冷板上表面和下表面流动的速度数据，取平均值得到蓄冷板表面平均风速，作为评价空气在单蓄冷板表面流动特性的依据；如图4(b)所示，提取空气沿双蓄冷板间隙内上表面和下表面的0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm处共10个点位流动的风速数据，取平均值得到蓄冷板间隙通道内的表面平均风速，作为评价双蓄冷板表面空气流动特性的指标。

(a) 单蓄冷板表面风速提取

(b) 双蓄冷板表面风速提取图4 数据提取示意图Fig. 4 Schematic diagram of data extraction process1.空气进口 2.空气出口 3.蓄冷板上表面 4.蓄冷板下表面 5.蓄冷板间隙上表面 6.蓄冷板间隙下表面

3.2 蓄冷板外表面速度场

不同进风量下，单块蓄冷板外围空气的平均速度分布如图5所示。由图5可见，蓄冷板表面与空气存在无效的接触面积，包括蓄冷板的背风面、平均速度接近0 m/s的表面，这会导致蓄冷板表面对流换热系数的降低[22]；随着进风流量的增大，蓄冷板外表面空气流速分布的不均匀性逐步增大。在小流量Q0和中流量3Q0情况下，空气的平均速度轮廓和流线整体上沿蓄冷板两侧对称分布，空气流向和流速分布都较为均匀，表明粒子速度场稳定[23]。在大流量5Q0情况下，粒子速度场呈现紊乱状态，流速分布不均匀，空气流向不稳定，说明迎风面形状对蓄冷板外围流场的影响在大流量下更为显著。

(a) 矩形:Q0、3Q0、5Q0

(b) 倒角:Q0、3Q0、5Q0

3.3 PIV截线上的流速分析

3.3.1 单蓄冷板表面空气流速分析

以蓄冷板迎风面为起始点，沿长度方向每间隔50 mm提取单蓄冷板上表面和下表面的速度并计算平均值，不同进风流量下蓄冷板的表面平均风速分布如图6所示。

根据空气沿蓄冷板表面分布的情况，将整个蓄冷板外表面分为三个阶段：入口段(0～50 mm)、稳定段(50～150 mm)和出口段(150～200 mm)。由图6可见，蓄冷板的迎风面形状影响表面平均风速的大小和分布，且进风流量越大，影响作用越明显，这是由于空气从进风口进入风道后，与不同迎风面形状的蓄冷板发生交汇碰撞后向两侧扩散的程度不同；由图6(a)可见，在小流量Q0工况下，矩形和倒角蓄冷板的入口段表面平均风速分布整体上高于其他阶段的表面平均风速，稳定段和出口段的表面平均风速分布较均匀。整个阶段内矩形蓄冷板的表面平均风速高于倒角和圆角蓄冷板的表面平均风速；由图6(b)可见，在中流量3Q0工况下，迎风面为圆角的蓄冷板表面平均风速分布出现波动，整个阶段内存在较明显的不均匀性，矩形蓄冷板的表面平均风速普遍高于倒角和圆角蓄冷板的表面平均风速；由图6(c)可见，在大流量5Q0下，由于进风流量较大，空气进入风道后不稳定，受到蓄冷板迎风面的反作用力后易产生紊流，蓄冷板表面平均风速波动剧烈，入口段的表面平均风速较小，明显低于其他阶段的表面平均风速，空气进入稳定段和出口段后表面平均风速回升，其中圆角蓄冷板的表面平均风速上升最大，相比于其他两种迎风面形状的蓄冷板，在大进气流量的情况下更有利于空气在其表面快速流动，从而能够更好地促进对流换热[24]。综上所述，在单蓄冷板试验中，在小流量Q0和中流量3Q0工况下采用矩形迎风面的蓄冷板能达到最优的对流效果，在大流量5Q0工况下采用圆角迎风面的蓄冷板能达到最优的对流效果。

(a) 小流量Q0

(b) 中流量3Q0

(c) 大流量5Q0图6 不同流量下的单蓄冷板表面平均风速Fig. 6 Average air velocity of the surface of single cold storage plate under different flow rate

3.3.2 双蓄冷板表面空气流速分析

为进一步分析双蓄冷板表面空气平均速度的均匀性，引入标准差σ。标准差反映了组内个体间的离散程度，σ越大，说明不均匀性越大，反之越均匀[25]。

(1)

式中：Ui——各测点的风速，m/s；

根据统计得到的每组试验中双蓄冷板间隙内的表面平均风速及其标准差如表4所示。

表4 试验设计及结果统计表Tab. 4 Statistical graph of test design and results

由表3可见，随着进风流量的增大，蓄冷板间隙内的表面平均空气流速呈先上升后下降的趋势，以双圆角蓄冷板间距4 cm为例，小流量Q0、中流量3Q0、大流量5Q0工况下的表面平均风速分别为0.51 m/s、1.82 m/s、1.29 m/s，在3Q0下最大。蓄冷板表面平均风速出现拐点的原因可能是进风流量增大后，穿过间隙通道中心和两侧的空气量增大，表面风速得到提高，但流速过大时，在通道中心形成了高风速区，同时在间隙通道两侧形成速度分层现象，导致表面平均风速下降。由此可见，对于优化换热流场来说，进风流量并非越大越好；在进风流量固定的情况下，随着蓄冷板间距的增加，表面平均风速整体上呈增大的趋势，这是由于间距的增大使得间隙通道的横截面积增大，空气能更顺畅通过蓄冷板间隙，使得表面平均风速增大；随着进风流量的增大，表面平均风速的标准差整体上呈增大的趋势，蓄冷板间隙内的表面空气流速越不均匀，这可能是由于间隙内的空气在靠近蓄冷板壁面处产生了边界层分离或回流，导致流速分布不均匀，且进风流量越大，这种回流和速度不均匀性越强。综上所述，在双蓄冷板试验中，考虑到在保证标准差低于其平均值0.40的情况下，表面风速平均值达到最大，所得到的对流效果最优的参数组合为双圆角蓄冷板、进风流量3Q0、摆放间距4 cm，其表面平均风速为1.82 m/s。

4 结论

利用粒子示踪技术(Particle Image Velocimetry, PIV)对不同迎风面形状、进风流量和摆放间距下的蓄冷板外围空气流动情况进行研究，结论如下。

1) 随着进风流量的增大，蓄冷板外表面和间隙内的空气流速不均匀性逐步增大。在小流量Q0和中流量3Q0下，蓄冷板外围空气平均流速沿蓄冷板两侧对称分布，空气流向和流速分布都较为均匀，在大流量5Q0下，粒子速度场呈现紊乱状态，流速分布不均匀，空气流向不稳定；蓄冷板间隙内的空气流速标准差随着进风流量的增大而增大。

2) 在单蓄冷板试验中，蓄冷板的迎风面形状影响表面空气流速的大小和分布，且进风流量越大，影响作用越明显。在小流量Q0和中流量3Q0工况下，采用矩形迎风面的蓄冷板能达到最优的对流效果，在大流量5Q0工况下，采用圆角迎风面的蓄冷板能达到最优的对流效果。

3) 在双蓄冷板试验中，蓄冷板间隙内的表面空气流速随着进风流量的增大呈先上升后下降的趋势，随着蓄冷板间距的增加呈增大的趋势，得到对流效果最优的参数组合为双圆角蓄冷板、进风流量3Q0、摆放间距4 cm，其表面平均风速为1.82 m/s。