海洋气氛风道模拟试验风场数值分析与优化研究

李鸿飞，向江涛，陈星昊,2，罗 丹,2，杨昊雨

(1.西南技术工程研究所， 重庆 400039； 2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站， 海南 万宁 571522)

1 引言

在海洋大气环境中，飞机、舰船上的电子产品容易发生故障，金属部件易发生腐蚀。考虑产生这些问题的主要原因是海洋大气环境中氯离子的含量较高。现有盐雾试验箱虽能完成金属相关的盐雾试验，但其产生的盐雾为小颗粒水滴，对电子产品易造成过试验，无法模拟电子产品的试验环境。因此研制海洋气氛模拟试验设备，使盐雾气氛状态更接近自然环境，从而解决电子产品的盐雾试验具有重要的意义。对于同一批样品而言，应使海洋气氛模拟试验设备试验箱内同一水平面上的盐雾沉积率尽可能的接近，从而减小因盐雾沉积率的不同而对试验结果产生较大的差异。经试验发现，试验箱内的风场分布对盐雾沉积率具有较大的影响，风速越大，盐雾的沉积率越大。因此研制海洋气氛模拟试验设备时，仿真分析箱体内部的风场流动具有重要的意义。目前，一种主要的手段是采用ICEM-CFD和Fluent仿真软件进行流体仿真。因此本文中采用ICEM-CFD和Fluent仿真软件针对设备原始结构和优化后的内部风场进行了仿真，并对比分析了原始结构与优化后结构的风场分布、中心水平面风速范围和试验箱体中心风速。

2 海洋气氛模拟试验设备模型

2.1 原始结构三维模型

海洋气氛模拟试验设备针对不同盐雾沉积率设计，可在一定可变温度、温度范围内开展盐雾气氛试验，也可单独开展湿热试验等。设备主要由底座、内箱、外箱、后箱、控制箱和箱门组成，其整体长约为1 800 mm、高约为2 180 mm、深约为2 640 mm，如图1所示。

2.2 原始结构仿真简化结构

本文以海洋气氛模拟试验设备U型风道和试验箱为原始研究对象，其原始结构U型风道和试验箱内部风向流动如图2所示。因此根据海洋气氛模拟试验设备风机位置和内部结构得到简化后的仿真结构，如图3所示。

图2 海洋气氛模拟试验设备原始内部结构

图3 海洋气氛模拟试验设备原始仿真结构

3 原始模型风场仿真分析

3.1 模型假设

建立U型风道和试验箱数学模型，在模拟过程中对模型采用以下简化假设：

1) U型风道和试验箱内的气氛为不可压缩气体并且满足Boussinesq假设[1]；

2) 忽略壁面间的热辐射作用，假定温度变化对气氛物性参数无影响，设定各物性参数为常数[2]；

3) 不考虑气氛模拟过程中水蒸发等传质因素影响[3]；

4) U型风道和试验箱密闭性良好。

根据假设(1)—(4)，考虑气氛在U型风道和试验箱内部循环为复杂的湍流运动，因此选择紊流模型求解。由于模型计算收敛性较高，精确性符合工程要求，因此在工业中的应用越来越广泛。采用较为成熟的SIMPLE算法对U型风道和试验箱内循环风场分布特性进行仿真计算[1-5]。采用有限体积法控制方程中的质量、动量和能量守恒等。

质量守恒方程为：

(1)

动量守恒方程：

x方向：

(2)

y方向：

(3)

z方向：

(4)

能量守恒方程：

(5)

其中：μ为动力黏度，N·s/m2；u、υ和ω分别为速度矢量在x、y、z上的分量；Cp为比热容，J/(kg·℃)；T为温度；K为流体的传热系数,W/(m2·K)。

3.2 网格划分

根据海洋气氛模拟试验设备仿真结构尺寸和风机位置，利用ANSYS中的ICEM CFD构建仿真模型的内流场结构。根据内流场结构模型，建立风机、内壁、外壁的PART。外矩形命名为WALLOUT，风机命名为FAN1和FAN2，其余命名为WALLIN，如图4所示。根据内流场模型结构，主要为矩形和45°斜线，因此考虑采用结构化网格进行划分，将仿真模型划分成三角形和矩形，再将三角形进行Y型剖分，并将对应的边线进行关联[6-8]。通过Edge Params命令对Y型剖分等区域进行网格调节，生成网格质量优异，其网格如图5所示。

图4 海洋气氛模拟试验设备仿真PART

3.3 边界条件及参数

在ANSYS Fluent软件中导入模型网格，利用Check和Report Quality对网格的质量进行检查后，设置重力为Y轴负向，大小为9.81 m2/s且仿真为基于压力的稳态计算[9-11]。

本文求解的对象是密闭U型风道和试验箱的风场内循环，采用湍流模型进行仿真分析，因此打开能量方程并选择湍流k-ε模型。风机处设置边界条件为fan,设置压差为100 Pa，并根据风场流动设置其方向。此仿真的目的主要是为了模拟风场的风布，不考虑加热加湿等的调节。风运动过程与U型风道和试验箱壁无摩擦温升，因此其余壁面设置为wall，且温度均设置为300 K。仿真残差均设置为10-6，仿真步数设置为5 000[12-15]。

3.4 原始结构仿真结果分析

根据仿真结果，利用CFD-Post软件获得原始结构速度云、速度流线如图6、图7所示。根据海洋气氛模拟试验设备仿真速度云图测量其试验箱中心处风速为0.24 m/s，速度较低。对于同种试验样品的试验，希望在同一水平面上风速相差不大，从而减小速度差异对盐雾气氛沉积率的影响，而从图6、图7中可以看出，在试验箱同一水平面上速度相差较大。因此需要提高试验箱体内中心风速和同一水平面的风速均匀性。

图6 海洋气氛模拟试验设备速度云图

图7 海洋气氛模拟试验设备速度流线

3.5 送风方式优化

根据原始结构仿真结果，考虑将出风水平吹出，并在试验箱体内上部添加引流部件。将引流部件安装在与右侧风机最低处。两处风机出口高度均设计为110 mm，在引流板上设置许多的孔，孔的宽度为15 mm，每相隔25 mm设计1个孔。每300 mm设计1个引风板，靠近风口的引风板最低，后面依次增高，其高度依次为30、40、50 mm，如图8所示。

图8 引流部件模型

4 优化后结构仿真分析

4.1 建立优化后三维网格

基于设计引流部件结构和安装位置，建立海洋气氛模拟试验设备三维流场仿真模型，如图9所示。根据实际情况建立相应的PART，主要包括：FAN1、FAN2、WALLIN、WALLOUT、WALLPARALLEL。考虑此结构主要为长方体、槽圆孔和斜面，因此采用结构化网格进行划分，斜面处采用Y型剖分，其块划分结果如图10所示。利用Blocking下的Pre-mesh命令，总共生成 1 859 944个结点和 1 804 563个六面体网格，其网格质量较好。

图9 海洋气氛模拟试验设备三维仿真模型

图10 海洋气氛模拟试验设备Blocking划分

4.2 边界条件及参数

三维仿真模型的FAN1、FAN2、WALLIN、WALLOUT的设置条件和二维一样，WALLPARALLEL和WALLIN设置条件一样,导入后内部模型如图11所示。因为三维仿真更加复杂，耗时更长，因此使用默认残差，步数设置为8 000。

图11 Fluent引流板三维内部模型

4.3 仿真结果分析

利用CFD-Post得出设备结构优化后的仿真速度云图、速度流线如图12、图13所示。从图12、图13测量可以得出，其中心风速为1.545 5 m/s，其同一水平面的风速差异相对较小，满足设计需求。

图12 海洋气氛模拟试验设备三维仿真速度云

图13 海洋气氛模拟试验设备三维仿真速度流线

4.4 原始与优化后结果对比分析

在海洋气氛模拟试验设备原始模型风场仿真速度云图的试验箱中心位置作一条水平线如图14所示。

图14 原始模型仿真中心水平线速度

同理在优化后的仿真结果速度云图上也作一条水平线。将线上的点导出，并利用Matlab绘制中心水平风速曲线，原始结构风速区间为(0.16～9.18)m/s,中心风速为0.608 8 m/s；优化后风速区间为(0.34～2.14)m/s，中心风速为 1.545 5 m/s，如图16所示。由图16可以看出，当压差为100 Pa时，优化后的结构有效的提高了同一水平面的风场均匀性，同时明显的提高了中心风速。因此此种方法能够满足设计的基本需求，有效的改善了风场的分布，提高了盐雾气氛沉降均匀性。

图15 优化后模型仿真中心水平线速度

图16 设备原始与优化后仿真中心水平线速度比较曲线

5 结论

本文以海洋气氛风道模拟试验设备为研究对象，利用ICEM-CFD和Fluent仿真软件对其原始和优化后的U型风道和试验箱分别进行内流场仿真分析。当压差为100 Pa时，原始结构风速区间为(0.16～9.18)m/s,中心风速0.608 8 m/s；优化后风速区间为(0.34～2.14)m/s，中心风速为1.545 5 m/s。优化后的结构有效的提高了试验箱同一水平面的风场均匀性和中心风速。因此此种方法能够满足设计的基本需求，有效的改善了风场的分布，提高了盐雾气氛沉降均匀性。