...教,高压开关柜温度场及流场仿真
张新太 孙江平
【摘 要】本文提供了基于STARCCM+软件的某大型环境舱流场和温度场仿真模拟，分别计算和分析了极冷、冷、热和极热四类工况条件下的舱内温度均匀性。结果表明，在舱内未放置试验件（飞机舱段）和内热源（日照模拟设备）的情况下，采用全面孔板送风的方式可以保证在上述四类工况下核心区域温差均小于1℃，即可以保证该环境舱空载状态下的温度均匀性，本文的计算结果对该大型环境舱的设计具有一定的参考意义。
【关键词】环境舱；温度均匀性；孔板送风
0 引言
某大型环境舱，用于营造飞机外部温度环境，开展高低温工况下的飞机环控系统性能测试试验及飞机舱内热舒适性试验。对于该环境舱，温度均匀性是其中一个非常重要的技术指标，直接决定着该环境舱模拟飞机外部温度环境的真实性与可靠性。为保证环境舱具有较好的温度均匀性，一般采用全面孔板的送风方式，本文针对该送风方式对环境舱内流场及温度场进行仿真计算，验证其温度均匀性，为该环境舱的详细方案设计提供参考。
1 计算模型
1.1 物理模型及网格
该大型环境舱的物理模型见图1，主要特征及技术指标如下：
a）环境舱直径为10m，长度为24m（其中等直段长度为20m、前后椭圆形密封门长度各2m），采用下沉式设计，下沉量1.5m，顶部送风腔高度为1.5m；
b）受限于环境舱安装场地高度限制，无法采用顶部送风的方式，采用侧上送风和同侧侧下回风的通风方式；
c）环境舱顶部设送风孔板，两端密封门处设挡板以封闭送风腔，送风顶板总面积f=L×W=20m×6.57m=131.4m2，孔板直径选取d=10mm，间隔为Δ=100mm，在送风顶板上共均匀布置N=199×65排孔，孔口总面积为fk=N×πd2/4=1.0159m2，净孔面积比K=fk/f =0.8%（见图2）；
d）舱内地板与外部地板齐平，两侧各开0.2m×20m通风槽一个；
e）暂不考虑环境舱内部放置试验件（飞机舱段和日照模拟设备等）的工况，仅对空置的环境舱内部流场及温度场进行计算。
划分网格时采用非结构网格，使用多面体网格生成器及棱柱层网格生成器方法，形成空间体网格及表面边界层网格，网格全局尺寸设置为0.2m，對孔板、地板通风口、送风入口、排风出口等处进行局部加密，最终生成体网格数量约510万（见图3）。
1.2 数学模型及边界条件
计算时仅考虑稳态工况，采用K-Epsilon湍流模型，入口采用速度进口边界条件，出口采用压力出口边界条件，其余部分均采用壁面边界条件，环境舱舱体表面设置热流量边界条件。按照环境舱内部需要营造的温度分为四类工况进行计算，各工况的定义及相应入口边界条件和舱体表面热负荷/冷负荷见表1。
2 仿真计算结果及分析
按照上述各类工况及边界条件进行计算，计算结果分析如下。
2.1 流场及温度场特征
以极冷工况（XC）为例，在X=0和Y=0两个竖直截面上，流线及温度场分别见图4和图5，综合两者的结果，可以得出：制冷空气在通过进风入口后，在送风孔板以上空间内沿轴向（X方向）流向两侧，由于送风孔板具有较大的阻力，气流在该顶部送风腔内速度降低并形成静压腔，在静压作用下，气流通过孔板流向环境舱主体部分，并在该区域内形成多个涡，之后气流经过地板通风口流向地板下回风区域，最终经过排风出口排出环境舱外。环境舱内地板至顶板间区域内的温度变化并不大，这是由于孔口布置较为均匀，且孔口总面积较小，根据质量守恒定律，得出孔口平均速度约为14.0m/s，该流速远大于一般孔板送风流速，采用该较大流速可增大孔板送风的射程，使得射流混合更为均匀，增强环境舱内部的传热效果，从而提高了舱内温度均匀性。
2.2 不同工况温度均匀性比较
为评价环境舱内部的温度均匀性，提出距舱体壁面、顶板和地板均有一定距离的核心区域的概念：定义-9≤X≤9、截面为图4所示的区域为核心区域，取核心区域的顶点、面中心和体中心为研究对象，得到不同工况下的各点温度、速度见表2。
不同工况下核心区域内各点温度对比见图7，对于计算的四类工况，核心区域内各点的温差ΔT均小于1℃，表明采用全面送风孔板可保证环境舱空载状态下（无飞机舱段试验件和日照模拟设备内热源）良好的温度均匀性。
环境舱内放置试验件（飞机舱段）时，由于试验件体积较大，放置试验件后环境舱水平截面上阻塞比较大，将显著改变环境舱内的流场；而放置内热源（日照模拟设备）时，由于内热源热负荷较环境舱散热量更大，放置内热源后会显著改变环境舱内的温度场。因此，环境舱内放置飞机舱段和日照模拟设备后，将对舱内温度均匀性产生较大影响，具体影响的程度需要后续的分析计算。
3 结论
在环境舱内未放置飞机舱段和日照模拟设备（内热源）的情况下，采用全面孔板送风的方式可以保证在极冷、冷、热和极热四类工况下核心区域温差均小于1℃，即可以保证该环境空载状态下的温度均匀性。放置飞机舱段和日照模拟设备时，由于飞机舱段造成的堵塞效应及日照模拟设备带来的较大热负荷，会对环境舱内的流场和温度场造成较大影响，其影响程度有待进一步分析。
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[责任编辑：朱丽娜]
