齐 昊，李 瑛，吴一鸣，张 良，齐 创

（1.上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室 能源与动力工程学院，上海 200093；2.中国船舶重工集团公司第七O三研究所 无锡分部，江苏无锡 214000）

0 引言

家用电器是人们生活中必不可缺的部分，随着人们生活品质的不断提高，以及当今社会对于国家节能减排政策的积极响应，人们对于家用产品的能效和质量要求也越来越高。人工试验环境室作为家用电器测试的场所，随着家电种类的增加以及性能要求的提升，高精度的恒温恒湿试验环境室的需求也越来越多［1-2］。CFD模型方法［3-4］具有模拟设备简单、成本低、计算速度快、可模拟复杂的实际问题等优点，被广泛应用于暖通空调领域的模拟研究中［5-7］。本文根据人工试验环境室的设计要求，采用孔板送风的方式，利用CFD模型方法对于高精度的人工试验环境室进行多种条件下的气流组织和温度场进行模拟计算，根据模拟计算结果对实际试验环境室进行优化设计。

1 人工试验环境室的气流组织设计

本次设计的试验环境室主要为电饭锅、电磁灶、微波炉等小家用产品的能效检测提供试验环境场所。根据GB 12021.6—2017以及GB/T 7725—2004以及相关单位的协议要求，人工试验环境室的工况控制范围和精度要求为：工作温度（15～35）±1 ℃，相对湿度（30%～70%）±3%，工作区域风速＜0.5 m/s。

孔板布置方式如图1所示。

图1 孔板布置方式Fig.1 The layout of orifice

（1）确定送风方式为孔板下送风，送风孔板采用模数为0.6 m×0.6 m的微孔铝板，即可作为送风口，又可作为吊顶的一部分。整体室内设计面积26.81 m2，送风孔板与顶板的面积之比为0.483＜0.5，满足局部孔板送风条件。灯具及吊顶铝板也采用0.6 m×0.6 m模数，以满足功能性及美观性的要求。

（2）因为孔板送风具有速度衰减快，混合过程短，室内温度和速度分布均匀的特点。取送风温差为2 ℃，根据冷负荷计算得到送风量L为4 600 m3/h，单块孔板送风为128 m3/h。校核换气次数n=L/V，V为房间体积，经计算n约为51次/h，满足大于8次/h的换气次数要求。

（3）在工作区高度h=1.2时，判断计算断面所在射流段。由《实用供热空调设计手册》可知，孔板为矩形孔板时起始段长度x=4b（其中b为孔板的宽度）计算得到射流还处于起始段，采用下列公式进行计算：

式中 ux1——起始段中心速度，m/s；

u0——孔口出流速度，m/s；

K1，K2，K3—— 考虑射流受限、射流重合、非等温影响的修正系数；

Cm——开孔率；

μ —— 孔口流量系数，本文为铝制薄孔板，取μ =0.8。

式中 Δtx1—— 起始端中心温度与周围空气温度之差，℃；

Δtx0—— 孔口送风温度与周围空气温度之差，℃。

假设开孔率Cm为3%，则可通过单位孔板风量及孔板面积计算得到u0为3.3 m/s。通过查图可得 K1为 0.35，K2为 1.02，K3为 1.4。将 K1，K2，K3以及Cm带入式（1）和式（2），则可计算得到ux1为 0.3 m/s，Δtx1为 0.8 ℃，满足设计要求。

根据开孔率Cm=3%，选择正方形排列，并取孔口直径ds为6 mm，根据式（3）可得孔间距：

式中 ds——孔的直径，mm，取ds=6 mm；

l ——孔与孔间的距离，mm。

可以计算得l=30 mm=0.03 m。

静压室内气流应尽可能的小，以保持静压室内静压稳定，从而使气流速度稳定，一般限制静压室气流速度与孔口流速的比值为u / u0＜ 0.2（u为静压室流速（垂直于孔口出流方向），u0为孔口流速）以免出流不均和出流倾斜。静压室厚度用下式计算：

式中 h' ——静压室厚度，m；

B —— 静压室宽度，m，最大为房间宽度，取B=5.75 m；

u —— 静压室内空气的流动速度，m/s，u =0.66 m/s。

代入上式得到高档风量下h'=0.34 m，为保证静压稳定以及送风管道的安装，取h'=0.70 m。

2 CFD模拟及试验分析

2.1 物理模型的建立

根据实际的试验环境室设计进行物理模型的建立，房间尺寸为4.86 m×5.75 m×3.35 m（长×宽×高），孔板高度为2.60 m，空气处理柜位于环境室内且其尺寸为1.26 m×0.9 m ×2.6 m。由于实际孔板网格数目巨大，普通的计算机难以实现结果的计算［9］。为了简化计算，将孔板进行模型简化，利用外形面积与原孔板风口相等的简单开口代替复杂孔板风口，来描述其入流的边界条件，并保证入流的质量流量和动量流量符合实际［10-11］。文章主要对于室内测的气流进行研究，所以针对孔板以下的室内环境进行模型设置，室内模型如图2所示。

图2 物理模型Fig.2 Physical model

2.2 基本假设和边界条件的确立

对计算区域流体模型做如下假设：（1）试验环境室内空气为不可压缩，空气物性为常数，室内空气为透明辐射介质；（2）环境试验时流场是稳态的，本文模拟的是长时间运行后的稳定状态，忽略时间项的影响，流动为稳态湍流；（3）考虑重力因素，参照Boussinesq密度假设，除密度外的其他物性参数为常数，对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余项密度亦为常数，在该假设下，密度差可当做为纯粹的温度影响因素［12］；（4）忽略由流体粘性力作功引起的耗散热；（5）不考虑漏风的影响，认为室内空气除出口外都密封完好。

应用k-ε双方程湍流模型进行模拟计算，计算方法为SIMPLE算法。设置速度进口来分别模拟不同风量工况［13］，出口端为压力出口，静压设置为0 Pa。壁面设置为恒定壁温条件，孔板设置为多孔介质跳跃模型［14］。多孔跳跃模型阻力计算公式［15］如下：

式中 μ ——空气黏度，Pa·s；

v ——空气流速，m/s；

α ——表面渗透率，m2；

C2——压力阶跃系数，m-1；

ρ ——空气密度，kg/m3；

Δn ——孔板厚度，m。

根据试验环境室的工作要求，采用循环风机变频调速方式，以不同送风量的送风方式来满足不同的要求。高风量模式下室内空气循环次数更多，温度分布更加均匀，所以可以快速的进行各种温度工况的调节，但由于循环风机的转速快，所以存在着噪声较大的问题，对长期呆在环境室内的操作人员有一定的影响。低风量模式下循环风机的转速较慢，产生噪声小，具有更好的舒适性，但试验工况的切换时间较长。采用不同风量送风组合模式，可更好地满足环境试验室的要求。因此本文确定了4 600，3 700，2 900 m3/h 3种不同的送风风量，通过模拟计算结果对比来得到合适风量设置。

2.3 数值结果与分析

为了比较中间工作区温度速度的分布，从高度上选取3个不同高度横剖面以及宽度方向上中间纵剖面进行分析［16］。并通过取3个主要工作区域的温度、速度分布进行对比分析。

为了满足试验测试条件特选取4 600，3 700，2 900 m3/h 3种风量情况进行模拟对比，以得到合适的试验送风风量设置。不同风量下的结果如图3～7所示。

图3 中心区域不同高度不同风量下温度差异Fig.3 Temperature difference in central area with different heights and air volumes

图4 相同高度不同区域不同风量下温度差异Fig.4 Temperature difference in different areas with the same height and different air volumes

图5 中心区域不同高度不同风量下速度差异Fig.5 Velocity difference in central area with different heights and air volumes

图6 相同高度不同区域不同风量下速度差异Fig.6 Velocity difference in different areas with the same height and different air volumes

图7 局部孔板送风下纵向截面温度场Fig.7 Temperature field of longitudinal section under local orifice air supply

图8 局部孔板送风下纵向截面速度场Fig.8 Velocity field of longitudinal section under local orifice air supply

图3示出在中心区域下不同高度、不同风量下的温度分布。从图3，4可以看出，不同的送风量方式下环境室在3个不同高度的温度分布都比较均匀，工作区域的温差均控制在1 ℃以内，相同工作高度下靠近空气处理柜附近的工作区域（区域2）温度会略低一些。相较2 900 m3/h风量情况，高风量方式下的环境室气流混合更快，温度分布更均匀，中间工作区的温度更接近送风温度，各区域间的最大温差更小，但3种风量方式均满足环境室的温度分布要求。从图7中可看出，4 600 m3/h风量送风时各个温度截面的温度更低，截面间的温差更小。2 900 m3/h时由于送风风速小，冷空气没有很好的下送，在近孔板侧的温度低，而近地面工作区的温度高。

从图5和6可以看出，不同送风量方式下环境室在3个不同高度的速度分布都比较均匀。风量越大，各个水平高度面的平均风速也就越大。3种送风量方式均满足环境试验室的工作需求。送风风量越大，整体环境的气流速度越大。环境室下方工作区域由于受到空气处理柜回风口的影响而气流流速大。由图8可以看出，相较其他2个风量送风情况，4 600 m3/h风量下送风整体环境的气流速度更大，但整体环境的气流分布也更加均匀，房间气流速度衰减快，混合过程短，符合孔板送风特点。

3 试验研究

根据模拟结果，搭建人工试验环境室。由于高风量送风方式下环境室空气循环次数更多，速度场和气流分布更加均匀，能够更好地满足试验室要求，所以本次搭建的环境室选取4 600 m3/h和3 700 m3/h两种风量送风方式进行实际送风，并进行实际试验测试。根据模拟结果并结合实际现场试验测试（Testo热敏式风速仪，精度为±0.05 m/s+5%测量值），得到除顶端孔口出风处及回风口区域，1.2 m工作高度平均温度在0.1 m/s左右，远小于环境试验室所需的0.5 m/s的要求。故实际试验测试主要针对环境室的温度分布展开。

为了反映局部送风下环境室的温度真实分布情况，对于环境室的温度场分布进行了试验测试。本文将环境室的中间工作区划分为9个小区域［17-18］，分别在各个区域的 0.6，1.2，1.8 m 处悬挂布置热电偶（T型热电偶，标定的精度在±0.1 ℃）进行温度测试。环境室小区域划分如图9所示。

图9 中间工作区域划分Fig.9 Division of intermediate working area

如图9所示，每个区域占地面积1.44 m2，总工作区域面积为12.96 m2。根据实际试验要求，测试了不同送风量方式下的环境室温度分布。试验对于温度数据的采集使用均值估读法，对于不断变化的温度数据取一个平均值进行记录。在试验测试过程存在外界因素的干扰，对于部分数据可能产生影响，在数据处理过程中对于一些误差点进行一些简单修正，对于一些问题数据进行剔除［10］。

将模拟结果取点数据进行绘图，可以得到模拟温度分布，如图10所示。

图10 工作区域模拟温度分布Fig.10 Simulated temperature distribution in working area

各个区域的温度测试结果如图11所示。如表1中所示，在工作高度1.2 m下，4 600 m3/h风量送风方式在中间工作区域间的平均温度为20.43 ℃，区域间最大温差为0.53 ℃；而3 700 m3/h风量送风方式在中间工作区域的平均温差为20.75 ℃，区域间最大温差为0.34 ℃，二者均满足环境室温度要求，且高风量方式送风具有更好的温度分布均匀性。

表1 不同风量方式下试验模拟对比值Tab.1 Comparison between test values and simulation values under different air volume modes

图11 不同送风风量下温度分布Fig.11 Temperature distribution under different air volumes

不同风量下，各房间不同高度之间试验测试与仿真模拟的最大温差对比如图12所示。由于仿真模拟中对于某些边界条件进行了一定的简化，因此得到不同高度下的最大温差要小于试验测试的结果，但总体上仿真与试验测试结果能够较好的吻合。

图12 不同高度间最大模拟试验温差Fig.12 Maximum test temperature difference between simulated values and experimental values under different heights

但在实际操作时，高风量送风方式存在噪声较大的问题。根据实际测试，采用高风量4 600 m3/h送风时噪声值为65.1 dB（A）；而低风量3 700 m3/h时噪声值为58.4 dB（A），2种风量下噪声差值为6.7 dB（A）。所以低风量方式下运行空气处理柜产生的噪声更小，具有更好的舒适性。因此在满足工作条件的情况下，高风量方式可用来实现不同温度工况的快速切换，实现快速升降温；而低风量方式下噪声较小，能满足温度分布均匀性的设计要求，并具有一定的舒适性。

4 结论

（1）根据家电能效测试环境标准和试验环境室设计要求对环境室进行了模拟设计，模拟对比了3个不同送风风量下的环境室温度、速度分布，并确定了环境室最终设计的送风风量为4 600 m3/h和3 700 m3/h。

（2）根据模拟结果，搭建试验室并进行试验。试验结果表明4 600 m3/h风量送风下中间工作区域间的最大温差为0.53 ℃，平均温度工作区域温度为20.45 ℃；3 700 m3/h风量在中间工作区域最大温差为0.34 ℃，平均温度工作区域温度为20.75 ℃，温度分布均匀性满足设计要求。通过试验模拟结果比对，模拟结果和试验结果有良好的吻合性。在满足工作条件的条件下，高风量方式可用来实现不同温度工况的快速切换，实现快速升降温；而低风量方式下噪声较小，噪声值为58.4 dB（A），噪声降低6.7 dB（A），能满足温度分布均匀性的设计要求，并具有一定的舒适性。

（3）本文采用模拟与试验相结合的方法，有效说明了CFD软件模拟可以帮助环境室进行整体的优化设计。