157冷藏集装箱环境测试室的气流组织形式比较正文

冷藏集装箱环境测试室的气流组织形式比较1.上海理工大学，2.苏州工业园区机关事务管理中心王瑾1张汉华2李含瑛1李村南1摘要：介绍了机械制冷系统的冷藏集装箱试验台在环境室的送回风设计中，使用“上送上回”的气流组织形式取代以往一贯使用的“水平送风”的气流组织形式的可行性。使用计算流体力学CFD软件模拟环境室内的温度场和速度场，引入能量方程，进行数值模拟计算，数值模拟和实验的结果都证明了“上送上回”形式，对于采用ARI标准1110进行的设计方案是可行的，测试的数据是可信的，温度的偏差也都在标准规定的范围内。关键词：冷藏集装箱试验台CFD软件数值模拟气流组织1引言随着冷藏货运量的增加，采用机械制冷系统的冷藏集装箱得到广泛的应用。其中的制冷机组作为整套设备的核心部件，其性能的优劣直接影响到冷藏集装箱货运的质量。制冷机组的性能是否合格，要靠专用的测试试验台来检测。本文以为某公司设计的制冷机组试验台项目依据,按照ARI（Air-conditioningandRefrigerationInstitute美国空调与制冷协会）标准1110，针对机械运输制冷机组（Mechanicaltransportrefrigerationunits）的行业标准，进行系统设计、设备安装、测试和调试使用。本试验台以在国际上具有权威性的ARI1110-2001，分别对测试系统的环境室和校准箱的结构与设备进行设计和建造，投入使用后，整个试验台的性能还必须通过美国船级社ABS有关标准的规定。2CFD技术在设计中的应用本次冷藏集装箱试验台的环境室送回风设计中，为了使环境室的结构更加简洁，集装箱进出实验室更加方便，我们拟采用“上送上回”的送风气流组织形式，取代以往常用的“水平送风”的气流组织形式。由于没有第一手资料，这方面以往可供参考的资料、数据不多，在试验台尚未试制，无法进行现场实测的情况下，对这种形式能否满足设计标准的要求没有把握。为此，采用现代设计理论和方法，对房间内部的流速场、温度场和压力场进行定性、定量的分析。使用计算流体力学CFD软件在环境室的送回风设计中，模拟环境室内的温度场，引入能量方程，以环境室温度4℃的情况进行模拟计算来辅助设计，对于“上送上回”的形式与“水平送风”形式的效果进行论证。得出结果以说明环境室内的温度均匀性是否满足设计标准的要求。2.1CFD技术介绍计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)技术，最初作为流体力学与应用数学相结合的学科，随着计算机技术的推广普及与计算方法的进步，几十年来取得了蓬勃的发展。由于数值模拟相对于实验研究有很独特的优点，成本低，周期短，容易获得完整的数据，能够模拟出实际运行过程中各种所测数据的状态，故而CFD技术得到了越来越多的应用。确定模拟方案后首先建网格。使用FLUENT的前处理软件GAMBIT，按照图1校准箱的几何模型体的大小结构，建立几何模型。为了建立模型和以后划分网格的方便，把校准箱的四个轮子简化成长方形支撑腿。网格的形状为三角形；网格间距：图1校准箱几何模型0.4；网格数为26615个。2.1“上送上回”模型计算用FLUENT软件读入网格，对模型作如下的假设：(a)使用三维的静态分离解算器，设置粘性流动为层流开始试算；(b)流动介质为常温空气，空气密度＝1.225kg/m3、空气动力粘度＝1.7894×10-5kg/m.s，都为常数；1#截面为送风口2#截面为回风口；(c)设置边界条件：图2中的1#截面为速度图2“上送上回”模型网格入口，速度值为2.5m/s，出风温度为277K，方向为X轴负方向；2#截面为外流口；设置壁面热流密度为19.8W/m2；(d)解算器的设定中：取压力、密度、体积力和动量的松弛因子为默认值；压力速度偶合取SIMPLE；动量方程的差分格式为一阶迎风格式。压力和速度的计算初值都为0，残差的收敛值：能量方程取默认值，其余都为10-5；先用层流模型计算500次以取得较好计算初值，然后改变为湍流k—ε模型，近壁面处理选用标准壁面函数，其中Tσ取1.0。增加的湍流动能、湍流耗散率和湍流粘度的松弛因子也取默认值。动量方程、湍流动能方程和湍流耗散率方程的差分格式都取一阶迎风格式。湍流动能和湍流耗散率的残差收敛值，都取10-5。再计算500次，有收敛的趋势。为了取得更好的数值结果，把动量方程、湍流动能方程和湍流耗散率方程的差分格式改为QUICK格式。继续计算到5000次后，残差曲线作稳定收敛。连续性方程的残差数量级收敛到10-5；X方向、Y方向和Z方向速度的残差数量级收敛10-6；能量方程的残差数量级收敛到10-8；k方程和ε方程的残差数量级收敛10-6。计算区域的质量流量偏差为1.907e-06kg/s；整个计算过程的速度残差变化曲线如图3所示，速度矢量见图4。图4速度矢量图2.2“水平送风”模型计算为了将“上送上回”和“水平送风”这两种方案进行比较。对“水平送风”形式也进行类似的数值模拟和分析。使用GAMBIT按照真实物体建立几何模型，划分成符合FLUENT解算器要求的网格，网格形状：三角形；网格间距：0.4；网格数为22819个。如图5所示：其中1号面为水平送风口、2号面为回风口。用FLUENT软件读入网格，进行类似于“上送上回”气流组织形式图5“水平送风”模型网格的模拟计算。整个计算过程的速度矢量图如图6。计算结果的残差变化曲线为图7。1图6速度矢量图图7残差变化曲线以“上送上回”和“水平送风”两种送风形式的速度矢量图进行初步的分析来看：“上送上回”形式的速度分布不太均匀，下部的速度大，上部的速度小，两侧壁面的速度下大上小，前、后壁面处有较明显的漩涡流；“水平送风”形式速度分布的均匀性则要好得多。3模拟计算结果分析YX0321QTRSWMPNOKJLIVUEHFGCBDA为了考查“上送上回”和“水平送风”形式能否满足设计要求中所规定的温度均匀性，对计算结果进行更详尽的分析。从速度矢量图可以对环境室中的气流流动有一个概况的了解，但不能确切知道每一个具体位置的情况。为了描述每一点的气流流动，取环境室中的一些气流的典型点分别编号，见1环境室2校准箱3被测机（图8）：取这些点的各个高度分别给出坐标值，图8参考点位置图用数字1～9表示各个高度。其中校准箱位置上的这些点象F点、U点、G点等并不在1～9每个高度上都有值。3.1计算流场的分层等速度图为了更直观地了解“上送上回”和“水平送风”形式的气流分布情况，对两种形式的气流组织进行分层比较。因为该模型中气流速度主要表现在X轴方向上。取X轴的流速，使用等速度分布图进行比较。分别取Y=0.6（A、E、I、M、Q所在平面）；图9“Y=0.6m”平面上X方向速的等速度分布Y=1.9（B、F、J、N、R所在平面）；Z=3.5这几个面进行比较。其等速度分布图分别为（图9～11），其中（A）为“上送上回”形式；（B）为“水平送风”形式。从这些等速度分布图中，明显看出“上送上回”形式的速度分布梯度较“水平送风”形式要大，而且“上送上回”形式的漩涡情况也要比“水平送风”形式严重，在图10所示的3.5m的高度上，“上送上回”形式甚至产生了气体倒流的情况，这对流动和换热是不利的。可见“水平送图10“Y=1.9m”平面上X方向流速的等速度分布风”形式的速度分布的均匀性比“上送上回”形式要好。“上送上回”形式校准箱底部的风速比较大，超过2m/s，顶部风速较小。两侧风速由下而上逐渐变小。校准箱的前部和后部由于有漩涡，速度变化较大。而“水平送风”形式，除了校准箱的后端由于截面积突然变化造成漩涡外，其余位置的速度分布都比较均匀，速度值在1m/s左右。从以上等速度分布图可以看出“水平送风”的温度均匀性好于“上送上回”。但两者都的温度均匀性指标均能满足ARI标准1110-2001对于校图11“Z=3.5”平面上X方向流速的等速度分布准测试环境室任意两点间温差不大于1.4℃的要求。4结论本试验台使用“上送上回”的气流组织形式取代以往一贯使用的“水平送风”的气流组织形式。在试验台建成以后，用实测数据与模拟数据进行了比较。实际流场情况同数值计算的流场分布情况基本一致。可见此类空间中的流动和传热情况使用CFD软件进行模拟，辅助进行工程设计是可行的，数值模拟和实验的结果都证明了“水平送风”的方式优于“上送上回”形式，但是采用ARI标准1110进行的设计方案中，“上送上回”形式是可行的，测试的数据是可信的，温度的偏差也都在标准规定的范围内。参考文献[1]ARIStandard1110-2001.StandardforMechanicalTransportRefrigerationUnits[2]李含瑛.冷藏集装箱机械制冷机组热工性能测试台的设计与实验研究.上海理工大学硕士论文，2005[3]ANSI/ASHRAEStandard41.4-1986.StandardMethodforTemperatureMeasurement[4]ANSI/ASHRAEStandard41.3-1989.StandardMethodforPressureMeasurement[5]姚征，陈康民.CFD通用软件综述.上海理工大学学报,2002,24(2):137-144[6]吴子牛.计算流体力学基本理论.北京：科学出版社，2001