高精度空氣接收混合箱的仿真設(shè)計(jì)

高精度空氣接收混合箱的仿真設(shè)計(jì)摘要：根據(jù)空調(diào)器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫濕度取樣裝置的要求，對(duì)空調(diào)器焓值法測(cè)試臺(tái)空氣接收箱部件進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)的比較，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)接收箱內(nèi)空氣混合裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就箱內(nèi)氣流均勻度對(duì)濕球溫度測(cè)量的影響進(jìn)行了討論，仿真結(jié)果表明通過(guò)在接收箱內(nèi)加裝帶有擋流板和導(dǎo)風(fēng)板的混合器，對(duì)其氣流的均勻擴(kuò)散，測(cè)量精度的提高有明顯效果。關(guān)鍵字：空調(diào)器接收混合箱測(cè)試精度仿真設(shè)計(jì)1引言空氣焓值法測(cè)試系統(tǒng)是利用空調(diào)器進(jìn)出口空氣的焓值差來(lái)計(jì)算制冷量/制熱量，是空調(diào)器生產(chǎn)企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和成品檢測(cè)的主要測(cè)試裝置，也是質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)評(píng)定空調(diào)產(chǎn)品的重要工具。因此對(duì)焓值法測(cè)試臺(tái)的測(cè)試方法不斷改進(jìn)，提高其測(cè)試精度，縮短工況穩(wěn)定時(shí)間，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)利益。準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)參數(shù)的溫濕度，對(duì)檢測(cè)空調(diào)器的性能具有重要意義。本文根據(jù)房間空氣調(diào)節(jié)器［1］的測(cè)試要求，對(duì)空調(diào)器出風(fēng)混合箱的仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空氣接收混合箱（圖1、圖2）是用來(lái)接收并精確測(cè)量被測(cè)空調(diào)器室內(nèi)側(cè)出風(fēng)溫濕度的裝置。被測(cè)空調(diào)器的出風(fēng)經(jīng)連接風(fēng)道送到接收混合箱，因空調(diào)器出風(fēng)方向截面上溫度并非均勻，故在取樣被測(cè)空調(diào)出風(fēng)空氣前，可以對(duì)該空氣進(jìn)行混合處理，保證取樣各點(diǎn)溫濕度基本一致。根據(jù)國(guó)標(biāo)要求：箱內(nèi)風(fēng)速<0.77及最大接收風(fēng)量2400，確定箱體截面尺寸為1.2m×1.1m（寬A×高B），接收室長(zhǎng)度為800㎜。3接收箱空氣流動(dòng)與換熱的仿真計(jì)算實(shí)際上由于標(biāo)準(zhǔn)中接收箱出口未明確要求設(shè)置混合裝置，往往會(huì)造成空調(diào)器出風(fēng)溫度不均勻，使得測(cè)量誤差大，故需通過(guò)仿真了解箱內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的規(guī)律以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。3.1無(wú)混合裝置接收箱的仿真計(jì)算3.1.1數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化僅考慮箱內(nèi)溫度在水平方向的變化，將溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維模型；（1）箱體內(nèi)氣體為牛頓流體；（2）測(cè)量下限風(fēng)量180時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速僅為0.17m/s，雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)，可以認(rèn)為箱體內(nèi)流體為層流，同時(shí)又為穩(wěn)定流；（3）箱體內(nèi)表面為光滑面；（4）不均勻流體簡(jiǎn)化風(fēng)量相同、溫度不同的三股流，左右對(duì)稱(chēng)。根據(jù)前面假設(shè)，箱內(nèi)氣流屬于層流問(wèn)題，故滿(mǎn)足如下方程式［2］［3］：連續(xù)性方程：（1）x、y方向動(dòng)量方程：（2）（3）能量方程：（4）3.1.2仿真結(jié)果將該模型輸入某一流體仿真軟件，網(wǎng)格按矩形劃分，x、y方向動(dòng)量方程收斂條件為，計(jì)算的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分別如圖3、4。由圖3看出，三股流體比較平穩(wěn)，相互間干擾很小，結(jié)果造成溫度分層嚴(yán)重，氣流在取樣段溫度非常不均勻，如圖4所示。因?yàn)榻邮帐业慕孛娉叽缫冗M(jìn)口大，故氣流進(jìn)入接收室會(huì)有一定的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。為此通過(guò)加長(zhǎng)接收室長(zhǎng)度使接收室內(nèi)的流體得以進(jìn)一步擴(kuò)散，模擬結(jié)果如圖5、6。從圖中看出，加長(zhǎng)接收室長(zhǎng)度，確實(shí)能提高箱內(nèi)氣流的混合程度，氣流取樣段中間流體與兩邊流體的溫差有所減小，但仍有約1℃溫差，這將會(huì)引起很大的測(cè)量誤差。而且加長(zhǎng)接收室同時(shí)會(huì)引起漏熱量的增加，故并不是可取措施。圖5加長(zhǎng)接收室的接收混合箱內(nèi)速度場(chǎng)3.2增加混合裝置接收箱的仿真計(jì)算為了提高氣流均勻性，考慮在接收室出口前設(shè)置一擋流板，其作用是使中間流體向兩邊流動(dòng)，并與兩邊流體混合后進(jìn)入引風(fēng)管。3.2.1數(shù)學(xué)模型此時(shí)箱內(nèi)流動(dòng)要按照紊流模型計(jì)算，其數(shù)學(xué)模型采用兩方程模型［4］［5］。兩方程最終張量形式如下：（5）（6）同時(shí)箱內(nèi)空氣還滿(mǎn)足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程，即：x、y方向動(dòng)量方程：（7）（8）能量方程：（9）式中模型中引入了三個(gè)系數(shù)（）及三個(gè)常數(shù)（）。將本模型及相關(guān)條件輸入流體仿真程序，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、8。圖7增加擋流板的接收混合箱內(nèi)速度場(chǎng)3.2.2仿真結(jié)果圖7說(shuō)明流體進(jìn)入接收室前段流體間流動(dòng)比較平穩(wěn)，相互間干擾較?。挥捎谖膊繐趿靼宓拇嬖?，中間流體速度減小，靜壓增大，使流體向兩邊運(yùn)動(dòng)，中間流體與兩邊流體開(kāi)始混合；同時(shí)由于箱體壁面的阻擋，擋板兩側(cè)流體的靜壓增大，使流體形成一個(gè)徑向力，兩邊流體向中間收縮，由于慣性力的作用下，流體收縮點(diǎn)并非在引風(fēng)管的進(jìn)口，而出現(xiàn)在進(jìn)口后面的一定位置上；然后流體重新逐漸擴(kuò)散，并在引風(fēng)管的后半段充滿(mǎn)引風(fēng)管。在流體擴(kuò)散的過(guò)程中，兩邊形成了一定的回流現(xiàn)象。圖8所示的溫度場(chǎng)正好反映了流體的變化情況，在回流段兩邊流體的溫度比中間高，但隨著流體擴(kuò)散的發(fā)展，這種溫差逐漸減小，當(dāng)流體重新充滿(mǎn)引風(fēng)管時(shí)，流體溫度變得相當(dāng)均勻。雖然這種混合方式最終能得到混合均勻的流體，但由于流體在引風(fēng)管內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程過(guò)長(zhǎng)，將引起整個(gè)箱體長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，增加箱體漏熱量。為了縮短收縮流體的擴(kuò)散過(guò)程，采用導(dǎo)風(fēng)格柵，圖9、10為模擬結(jié)果。圖9說(shuō)明由于在流體收縮處設(shè)置了導(dǎo)風(fēng)板，使流體很快重新得以擴(kuò)散，距引風(fēng)管后部流體流動(dòng)比較平穩(wěn)；由于中間導(dǎo)風(fēng)板的阻擋，中間流體流量比兩邊流體要小。圖10反映流體溫度除了靠近引風(fēng)管壁面區(qū)域，各部分溫度比較均勻，在實(shí)際取樣時(shí)由于取樣風(fēng)機(jī)的作用，引風(fēng)管內(nèi)氣流會(huì)更加均勻。4結(jié)論從以上對(duì)空調(diào)器焓值法測(cè)試系統(tǒng)空氣接收箱部件進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)的比較和仿真計(jì)算分析看出：在接收箱內(nèi)加裝帶有擋流板和導(dǎo)風(fēng)板的混合器，對(duì)其氣流的均勻擴(kuò)散，測(cè)量精度的提高有明顯效果。用仿真方法對(duì)接收箱內(nèi)空氣混合裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改進(jìn)測(cè)試方法，對(duì)提高空調(diào)器測(cè)試水平有重要意義。參考文獻(xiàn)1.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).房間空氣調(diào)節(jié)器（GB/T7725-1996）.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1996.2.楊世銘.傳熱學(xué)（第二版）