基于CFD模拟对比两款恒温箱性能优劣.pdf

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第1期(总第188期)
机械工程与自动化
2015年02月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
eb
文章编号:1672-6413(2015)01-0037-02
基于CFD模拟对比两款恒温箱性能优劣
李强,王晗,刘强
(广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)
摘要:某精密加工机床的恒温要求为(27士0.2)C,对一定空间范围的气流速度及温度有严格的均勺性要
求,并要求室内温度有很好的稳定性。据此采用满足要求的送回风系统,并采用CFD数值模拟方法,分析
基于此送回风系统的两款不同结构的箱体在相同环境下其恒温室的温度场和速度场均匀性,且研究了其在有
热源扰量作用时温度的动态响应特性。分析结果表明散流器送风结构恒温箱恒温室的均勾性和抗扰性能更好
关键词:恒温箱;CFD;扰量;温度;动态特性
中图分类号:TP391.7文献标识码:A
0引言
径150mm,多孔板厚度为50mm,孔径为重6mm,
随着科技的发展,对加工精度的要求越来越高,对且相互间距为15mm。
环境控制设备恒温箱的硏究就显得更加重要。目前
入
导风板
入风口
对恒温箱的硏究大多数聚焦于通过控制系统的改善来
静压室
风
散流器
达到恒温性能,而忽略了恒温箱结构特性对恒温性能
多
的影响。现有的高精密恒温箱送回风系统主要采用
孔多
板孔
三级结构(静压室、多孔区、恒温室)?。基于此送回风
板
系统,可构建两种恒温箱体结构:①側向送风,导风板
温
室
倾斜一定角度,使多孔板和导风板之间的空间成为
个稳定的静压混合箱~5;②垂直送风,风口处安装散
出
流器,使气流较均匀地散开,在多孔板及散流器间形成
风出
静压室恒温室出风口
稳定的混合静压箱。
1000mm
1000Rm
计算流体力学( Computational Fluid Dynamics,
(a)侧向导风板送风结构
(b)垂直散流器送风结构
CFD)相对于实验研究具有成本低、速度快、可模拟难
图1两款恒温箱的结构平面图
以实际测试的环境等优点,并且可获得非常满意的结2.2数学模型
果
本文采用CFD数值模拟分析两款恒温箱的
恒温室内对流换热是强制对流与自然对流并存的
气流组织及恒温特性,通过数据分析对比得出其优劣。混合对流,空气流动为湍流换热。在恒温箱体稳定工
1工程概况
况下箱内为定常流,启动运行初期为非定常流,空气符
恒温箱恒温室物理尺寸为1000mm×800mm×合 Boussingesq假设。并假设:①箱内壁面为绝热;②
850mm,入口风速维持在1m/s~2m/s,恒温室内温忽略内部各表面之间的辐射换热。建立箱内空气流动
度设计为(27士0.2)C,流速及温度需要严格均匀分与传热模型,可以表示为
布,并且室内温度长期稳定度误差不超过0.1℃/h。
(1)连续方程:
无通风死角,流速维持在0.2m/s~0.5m/s,设备散
div(u)=0
热量5kW,波动控制在5%以内。
其中:x为流体速度,m·si
物理及数学模型的建立
(2)动力方程( Navier- Stokes方程)
2.1物理模型
如图1所示,两款恒盪箱采用相同的三级结构,不
P+。K)+?[+)1+
同之处在于:①图1(a)采用侧面送风,导风板的倾斜
角为10°;②图1(b)采用垂直送风,圆形散流器喉口直
2
米广东省微纳加工技术与装备重点实验室资助项目(201001G0104781202);广东省教育厅产学研合作专项资金资助项目(2060403
收稿日期:2014-04-15;修订日期:2014-10-25
作者简介:李强(1987-),男,江两上饶人,在读硕士研究生,研究方向:机械工程。
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机械工程与自动化
2015年第1期
其中:p为流体密度,kg?m-3;P为势能;K为动能,度为:
K=コ为动力黏度,Pa?s:x为坐标变量
×100%.(5)
(3)k方程(湍动能方程):
(pu, k)
(3)其中:速度平均值瓦=气,化为每个点的检测速
Oz
a(LL ge)+G pe
O, a* O.i
度值,N为检测点个数
其中:k为湍动能;为湍动黏度,ル=C.,经验参
E
温度均匀度为:
数C.=0.9;e为湍动耗散率;a为经验参数,o=1.0;
(ta-Z。)
G为由平均速度梯度引起的湍流动能产生项,G=
×100%.(6)
,LB、BL
H!ar, ar, OTI
其中、温度平约值乙=ど.为每个点的检在温度值
(4)e方程(湍动耗散率方程):
1, pu, k)= o
0.85
+(CIG-CAPE
oxi g, Ox,
0.75
其中:经验参数c1=1.44;c2=1.92;o=1.3。
0.60
3恒温室速度坜及温度坜模拟结果
图2为入口风速为1.5m/s无热源时两款恒温室
0.45
速度场分布。图3为人口风速为1.5m/s中心热源功
率恒定50W时两款恒温室温度场分布。从图2中可
以得出:两款恒温室内流场分布均匀,且空间内流场分
布差别很小,中间区域的流速均在0.2m/s~0.3m
0.150.350.50.650.85
s,在靠近恒温室底部及出风口的不大区域流速均匀性
X/m
较差。从图3中可以得出:热源对两款恒温室的温度
图4传感器布置位置
场影响范围大小差别不大,但对空间位置有显著影响,
将检测值代入式(5),计算可得两款恒温箱速度场
对侧向送风温度场(见图3(a)的影响集中在热源左下的速度均匀度分别为:
方,对垂直送风温度场(见图3(b)的影响集中于热源的
Ve=86.45%,V=86.16%
正下方。
将检测值代入式(6),计算可得两款恒温箱温度场
的温度均匀度分别为:
0.
0.80
Ta=80.27%,Tb=82.26%
0.6
0.6?/
从分析结果来看,两款恒温室内在无热源情况下,
O
日0.4R、9
0.
气流组织性能相同;在有恒定热源影响下,垂直送风恒
0.25
温室温度分布更加均匀。
0
4.3内扰量作用时恒温室温度动态响应特性
0.20.40.6
由于电压和电流的波动性及设备本身结构的影
X
X/m
响,设备散热量不是一直处于稳定状态。在设备散热
(a)侧向送风
(b)垂直送风
量有5%波动时,对两款恒温室受影响最大点进行监
图2入口风速为1.5m/s无热源时两款恒温室的速度场(m/
测,检测点温度动态情况如图5所示。
0.8
0.8
0.9侧向送风
0.6
0.6
0.8
0.4
0.4
:6<