汽車內(nèi)飾材料霧化恒溫油浴溫度場(chǎng)仿真研究

孫營(yíng)春　王　軍　韓　陽(yáng)　張?jiān)茥潯×P(yáng)

（蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

汽車內(nèi)飾材料霧化恒溫油浴溫度場(chǎng)仿真研究

孫營(yíng)春王軍韓陽(yáng)張?jiān)茥澚鴵P(yáng)

（蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

針對(duì)汽車內(nèi)飾材料霧化檢測(cè)對(duì)油浴溫度場(chǎng)的控制要求，提出了一種四壁加熱和中心攪拌勻熱的恒溫油浴控制系統(tǒng)構(gòu)成方案?；贑FD方法對(duì)恒溫油浴的加熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了在設(shè)定攪拌速度為5/rad s時(shí)，油浴溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過(guò)程以及勻熱攪拌器周圍的流場(chǎng)分布，結(jié)果表明油浴能夠快速達(dá)到設(shè)定的加熱溫度并且整個(gè)溫度場(chǎng)均勻穩(wěn)定，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。

霧化檢測(cè) 油浴 溫度場(chǎng) 仿真

1　引言

汽車內(nèi)飾塑料件釋放的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）能致癌，是人類健康的五大危害之一［1］；另外VOC會(huì)在擋風(fēng)玻璃上形成冷凝現(xiàn)象，當(dāng)照明不佳時(shí)冷凝物可能會(huì)對(duì)擋風(fēng)窗的通視程度造成影響。通過(guò)對(duì)汽車內(nèi)裝飾材料進(jìn)行霧化試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些材料中可揮發(fā)性物質(zhì)的控制來(lái)有效地降低車內(nèi)環(huán)境污染，已經(jīng)成為汽車及汽車內(nèi)飾材料生產(chǎn)企業(yè)控制產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要手段。恒溫油浴是霧化測(cè)定實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)試樣件進(jìn)行加熱起霧的關(guān)鍵設(shè)備，恒溫油浴溫度場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性決定了霧化測(cè)定的精確度［2，3］。本文提出了一種新型的恒溫油浴控制系統(tǒng)，并對(duì)油浴加熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真。

2　油浴溫控系統(tǒng)構(gòu)成方案

恒溫油浴溫度控制系統(tǒng)主要由箱體、加熱控制系統(tǒng)、攪拌勻熱系統(tǒng)三個(gè)部分組成。如圖1所示，油浴加熱電阻均勻的布置在箱體的四壁，油浴中設(shè)置了若干溫度檢測(cè)點(diǎn)，油浴加熱系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)反饋得到的溫度信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱功率的大小。攪拌勻熱系統(tǒng)也根據(jù)檢測(cè)反饋的溫度均勻度實(shí)時(shí)調(diào)整勻熱攪拌速度。

3　油浴溫度場(chǎng)仿真

3.1流體力學(xué)控制方程

針對(duì)低速流動(dòng)傳熱問(wèn)題，其控制方程可采用不可壓縮流動(dòng)的Navier-Stokes方程［4］:

其中ρ，T， u， p，ε， λ分別為流體的密度、溫度、速度、壓強(qiáng)、內(nèi)能和導(dǎo)熱系數(shù)。

3.2仿真設(shè)置

設(shè)置油浴計(jì)算區(qū)域?yàn)?.3× 0.6m。將流體區(qū)域分割為兩部分，以攪拌器為中心的圓形區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域，其余為靜止區(qū)域。采用三角形非均勻網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)勻熱攪拌器周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。設(shè)置壁面加熱溫度為373.15，攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)速度為5/rad s，方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。油浴的物理參數(shù)取值如表1所示:

表1　油浴物理參數(shù)

4　仿真結(jié)果分析

圖2給出了油浴加熱過(guò)程，油浴溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化（1-8h）的云圖。由圖可知，油浴從常溫加熱到100攝氏度大概需要8h左右，四壁同時(shí)加熱方式能有效提高油浴的整體受熱性。勻熱攪拌器的設(shè)置能明顯加快流體中熱量的擴(kuò)散和傳導(dǎo)作用，并使油浴溫度場(chǎng)很快達(dá)到均勻狀態(tài)。對(duì)油浴溫度場(chǎng)長(zhǎng)度方向中心線上的點(diǎn)［-0.2 -0.15 -0.1 0.1 0.15 0.2］m進(jìn)行溫度值提取，如圖3所示為提取點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，在油浴加熱過(guò)程中，中心線上的溫度值保持平衡遞增，表明了油浴加熱過(guò)程的穩(wěn)定性和均勻性。

圖4給出了勻熱攪拌器周圍的速度矢量場(chǎng)，由圖可知流體在攪拌器周圍會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的流速在攪拌葉的端部旋轉(zhuǎn)軌跡上最大，并且向外部和內(nèi)部呈遞減趨勢(shì)。為了加快流體熱量的擴(kuò)散，應(yīng)適當(dāng)增加攪拌葉的長(zhǎng)度，同時(shí)要保證攪拌葉根部周圍流體能夠進(jìn)行熱量擴(kuò)散。

5　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種油浴加熱控制系統(tǒng)，基于CFD方法對(duì)油浴加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果表明油浴能快速的建立恒定的溫度場(chǎng)，油浴溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性都很高。研究結(jié)果對(duì)恒溫油浴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

［1］張傳楨，張紀(jì)鵬，趙紅，史晉.汽車內(nèi)飾污染對(duì)人體健康的危害研究［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2014（1）.

［2］汪龍余，王國(guó)兵.汽車內(nèi)飾材料氣霧冷凝值的測(cè)定方法及測(cè)試設(shè)備研究［J］.安徽科技，2013（1）.

［3］王釗桐.淺談汽車內(nèi)飾材料揮發(fā)成霧性測(cè)試［J］.環(huán)境技術(shù)，2008（5）.

［4］Batchelor， G. K. An Introduction to Fluid Dynamics［J］. Cambridge： Cambridge University Press 2000.