某大型環(huán)境艙流場及溫度場仿真計(jì)算

張新太　孫江平

【摘 要】本文提供了基于STARCCM+軟件的某大型環(huán)境艙流場和溫度場仿真模擬，分別計(jì)算和分析了極冷、冷、熱和極熱四類工況條件下的艙內(nèi)溫度均勻性。結(jié)果表明，在艙內(nèi)未放置試驗(yàn)件（飛機(jī)艙段）和內(nèi)熱源（日照模擬設(shè)備）的情況下，采用全面孔板送風(fēng)的方式可以保證在上述四類工況下核心區(qū)域溫差均小于1℃，即可以保證該環(huán)境艙空載狀態(tài)下的溫度均勻性，本文的計(jì)算結(jié)果對該大型環(huán)境艙的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境艙；溫度均勻性；孔板送風(fēng)

0 引言

某大型環(huán)境艙，用于營造飛機(jī)外部溫度環(huán)境，開展高低溫工況下的飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)及飛機(jī)艙內(nèi)熱舒適性試驗(yàn)。對于該環(huán)境艙，溫度均勻性是其中一個非常重要的技術(shù)指標(biāo)，直接決定著該環(huán)境艙模擬飛機(jī)外部溫度環(huán)境的真實(shí)性與可靠性。為保證環(huán)境艙具有較好的溫度均勻性，一般采用全面孔板的送風(fēng)方式，本文針對該送風(fēng)方式對環(huán)境艙內(nèi)流場及溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證其溫度均勻性，為該環(huán)境艙的詳細(xì)方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型及網(wǎng)格

該大型環(huán)境艙的物理模型見圖1，主要特征及技術(shù)指標(biāo)如下：

a）環(huán)境艙直徑為10m，長度為24m（其中等直段長度為20m、前后橢圓形密封門長度各2m），采用下沉式設(shè)計(jì)，下沉量1.5m，頂部送風(fēng)腔高度為1.5m；

b）受限于環(huán)境艙安裝場地高度限制，無法采用頂部送風(fēng)的方式，采用側(cè)上送風(fēng)和同側(cè)側(cè)下回風(fēng)的通風(fēng)方式；

c）環(huán)境艙頂部設(shè)送風(fēng)孔板，兩端密封門處設(shè)擋板以封閉送風(fēng)腔，送風(fēng)頂板總面積f=L×W=20m×6.57m=131.4m2，孔板直徑選取d=10mm，間隔為Δ=100mm，在送風(fēng)頂板上共均勻布置N=199×65排孔，孔口總面積為fk=N×πd2/4=1.0159m2，凈孔面積比K=fk/f =0.8%（見圖2）；

d）艙內(nèi)地板與外部地板齊平，兩側(cè)各開0.2m×20m通風(fēng)槽一個；

e）暫不考慮環(huán)境艙內(nèi)部放置試驗(yàn)件（飛機(jī)艙段和日照模擬設(shè)備等）的工況，僅對空置的環(huán)境艙內(nèi)部流場及溫度場進(jìn)行計(jì)算。

劃分網(wǎng)格時采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，使用多面體網(wǎng)格生成器及棱柱層網(wǎng)格生成器方法，形成空間體網(wǎng)格及表面邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格全局尺寸設(shè)置為0.2m，對孔板、地板通風(fēng)口、送風(fēng)入口、排風(fēng)出口等處進(jìn)行局部加密，最終生成體網(wǎng)格數(shù)量約510萬（見圖3）。

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

計(jì)算時僅考慮穩(wěn)態(tài)工況，采用K-Epsilon湍流模型，入口采用速度進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，其余部分均采用壁面邊界條件，環(huán)境艙艙體表面設(shè)置熱流量邊界條件。按照環(huán)境艙內(nèi)部需要營造的溫度分為四類工況進(jìn)行計(jì)算，各工況的定義及相應(yīng)入口邊界條件和艙體表面熱負(fù)荷/冷負(fù)荷見表1。

2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

按照上述各類工況及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分析如下。

2.1 流場及溫度場特征

以極冷工況（XC）為例，在X=0和Y=0兩個豎直截面上，流線及溫度場分別見圖4和圖5，綜合兩者的結(jié)果，可以得出：制冷空氣在通過進(jìn)風(fēng)入口后，在送風(fēng)孔板以上空間內(nèi)沿軸向（X方向）流向兩側(cè)，由于送風(fēng)孔板具有較大的阻力，氣流在該頂部送風(fēng)腔內(nèi)速度降低并形成靜壓腔，在靜壓作用下，氣流通過孔板流向環(huán)境艙主體部分，并在該區(qū)域內(nèi)形成多個渦，之后氣流經(jīng)過地板通風(fēng)口流向地板下回風(fēng)區(qū)域，最終經(jīng)過排風(fēng)出口排出環(huán)境艙外。環(huán)境艙內(nèi)地板至頂板間區(qū)域內(nèi)的溫度變化并不大，這是由于孔口布置較為均勻，且孔口總面積較小，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，得出孔口平均速度約為14.0m/s，該流速遠(yuǎn)大于一般孔板送風(fēng)流速，采用該較大流速可增大孔板送風(fēng)的射程，使得射流混合更為均勻，增強(qiáng)環(huán)境艙內(nèi)部的傳熱效果，從而提高了艙內(nèi)溫度均勻性。

2.2 不同工況溫度均勻性比較

為評價環(huán)境艙內(nèi)部的溫度均勻性，提出距艙體壁面、頂板和地板均有一定距離的核心區(qū)域的概念：定義-9≤X≤9、截面為圖4所示的區(qū)域?yàn)楹诵膮^(qū)域，取核心區(qū)域的頂點(diǎn)、面中心和體中心為研究對象，得到不同工況下的各點(diǎn)溫度、速度見表2。

不同工況下核心區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)溫度對比見圖7，對于計(jì)算的四類工況，核心區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的溫差ΔT均小于1℃，表明采用全面送風(fēng)孔板可保證環(huán)境艙空載狀態(tài)下（無飛機(jī)艙段試驗(yàn)件和日照模擬設(shè)備內(nèi)熱源）良好的溫度均勻性。

環(huán)境艙內(nèi)放置試驗(yàn)件（飛機(jī)艙段）時，由于試驗(yàn)件體積較大，放置試驗(yàn)件后環(huán)境艙水平截面上阻塞比較大，將顯著改變環(huán)境艙內(nèi)的流場；而放置內(nèi)熱源（日照模擬設(shè)備）時，由于內(nèi)熱源熱負(fù)荷較環(huán)境艙散熱量更大，放置內(nèi)熱源后會顯著改變環(huán)境艙內(nèi)的溫度場。因此，環(huán)境艙內(nèi)放置飛機(jī)艙段和日照模擬設(shè)備后，將對艙內(nèi)溫度均勻性產(chǎn)生較大影響，具體影響的程度需要后續(xù)的分析計(jì)算。

3 結(jié)論

在環(huán)境艙內(nèi)未放置飛機(jī)艙段和日照模擬設(shè)備（內(nèi)熱源）的情況下，采用全面孔板送風(fēng)的方式可以保證在極冷、冷、熱和極熱四類工況下核心區(qū)域溫差均小于1℃，即可以保證該環(huán)境空載狀態(tài)下的溫度均勻性。放置飛機(jī)艙段和日照模擬設(shè)備時，由于飛機(jī)艙段造成的堵塞效應(yīng)及日照模擬設(shè)備帶來的較大熱負(fù)荷，會對環(huán)境艙內(nèi)的流場和溫度場造成較大影響，其影響程度有待進(jìn)一步分析。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]