噴漆室空調(diào)內(nèi)部流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吳 飛,李澤晨

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

涂裝是汽車制造四大工藝之一,由于噴漆室對(duì)于作業(yè)環(huán)境的特殊要求,需要噴漆室空調(diào)能夠穩(wěn)定高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。近年來(lái)隨著涂裝工藝設(shè)備的發(fā)展,對(duì)于噴漆室空調(diào)的研究逐漸引起學(xué)者重視,如對(duì)循環(huán)風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的效果[1-2]?？照{(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化集中于節(jié)能降耗和降低空調(diào)運(yùn)行成本上[3-4],同時(shí)針對(duì)空調(diào)具體的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6],通過(guò)CFD(computational fluid dynamics)的方法對(duì)送風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行模擬和研究,達(dá)到提高流場(chǎng)分布狀態(tài)的效果[7-8]。目前研究人員對(duì)于工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)的研究,主要集中于廠房?jī)?nèi)部氣流組織狀態(tài)和空調(diào)內(nèi)部的設(shè)備如換熱器等部件。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)室體內(nèi)部氣流狀態(tài)的CFD仿真研究較少。

筆者將研究噴漆室空調(diào)的結(jié)構(gòu)組成及功能,通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)室體內(nèi)部流場(chǎng)存在的問(wèn)題進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)證明仿真方法的可行性,最后提出優(yōu)化評(píng)判指標(biāo)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 空調(diào)流場(chǎng)分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 空調(diào)模型建立和流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

以噴漆室循環(huán)風(fēng)空調(diào)為研究對(duì)象,其布局及結(jié)構(gòu)如圖1所示。右側(cè)風(fēng)機(jī)為空調(diào)的入風(fēng)風(fēng)機(jī),空氣由此進(jìn)入空調(diào)室體內(nèi),左側(cè)風(fēng)機(jī)為出風(fēng)風(fēng)機(jī),將空調(diào)處理后的空氣送入噴漆室。循環(huán)風(fēng)空調(diào)主要組成部件包括:空調(diào)室體、供風(fēng)風(fēng)機(jī)及電機(jī)、風(fēng)管、風(fēng)閥、表冷器、表熱器和溫度傳感器等。經(jīng)過(guò)對(duì)空調(diào)室體結(jié)構(gòu)尺寸的實(shí)地測(cè)量,建立三維模型,其示意圖如圖2所示。將模型導(dǎo)入到前處理軟件ICEM(integrated computer-aided engineering manufacturing)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最大網(wǎng)格單元尺寸為70 mm,共有網(wǎng)格數(shù)量623 344個(gè),網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為583 202,網(wǎng)格正交質(zhì)量最小值為1,最大橫縱比為2,最小角度為85°,整體網(wǎng)格質(zhì)量(Quality)較好,可以用于后續(xù)的流場(chǎng)計(jì)算。

圖1 噴漆室循環(huán)風(fēng)空調(diào)結(jié)構(gòu)布局

圖2 空調(diào)室體模型示意圖

根據(jù)空調(diào)室體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從溫度和速度均勻性角度來(lái)梳理相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo),采用的評(píng)價(jià)方法為相對(duì)均方根法[9],其表達(dá)式如下:

(1)

將式(1)中溫度換為速度,即可表示為速度均勻性指標(biāo)Uv。當(dāng)UT越大時(shí)表示各測(cè)點(diǎn)溫度與設(shè)定值偏差越大,均勻性程度越差;UT越小時(shí),均勻性程度越好。

1.2 仿真計(jì)算與流場(chǎng)分析

使用Fluent軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行定常模擬,設(shè)置入口邊界條件,由實(shí)測(cè)結(jié)果可得入口溫度為22.8℃,入口速度為8 m/s,其速度方向用矢量表示為(-1,0,0)。湍流模型選擇Realizable k-ε雙方程模型,近壁面處理方法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),模擬計(jì)算使用SIMPLEC求解算法,同時(shí)啟用能量方程和重力選項(xiàng)。表冷器和表熱器采用多孔介質(zhì)模型模擬。

選取具有代表性的截面進(jìn)行溫度和速度云圖分析。首先選取合適的分析截面位置如圖3所示,選擇通過(guò)左側(cè)出風(fēng)口中點(diǎn)的水平截面,入風(fēng)口和出風(fēng)口均經(jīng)過(guò)該水平截面。豎直截面也選擇通過(guò)左側(cè)出風(fēng)口中點(diǎn)的截面,該截面直接聯(lián)接出入風(fēng)口。另外在豎直截面上選擇不同高度的4條直線,從低到高依次為y1～y4,在水平截面上選擇不同位置的3條直線,按照z坐標(biāo)由小到大依次定義為z1～z3。將此兩個(gè)截面和7條直線作為研究對(duì)象,分析其流場(chǎng)狀態(tài)的分布情況。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到流場(chǎng)狀態(tài)的分布結(jié)果,空調(diào)室體內(nèi)部豎直截面溫度分布云圖如圖4所示。室體豎直方向的中部位置與室體上下兩端溫度斷層分布。在表冷器與表熱器之間的空間內(nèi),由于空氣經(jīng)過(guò)冷卻但尚未加熱,故此處為室體內(nèi)溫度最低的區(qū)域,溫度為22.6℃左右,空氣經(jīng)過(guò)表熱器加熱后達(dá)到23.2℃。在空調(diào)室體表熱器的上部存在局部高溫區(qū)域,中心溫度可達(dá)30℃左右。

圖4 豎直截面溫度分布云圖

直線y1～y4溫度分布趨勢(shì)如圖5所示。從圖5可知,y3與y4曲線的溫度比y1與y2的溫度高,同時(shí)y3與y4存在明顯的溫度峰值。從圖5可以明顯看到各條直線上溫度分布并不均勻。利用CFD-Post軟件在豎直截面上均勻取樣點(diǎn)1 000次,求得該截面的平均溫度為25.14℃,溫度均勻度指標(biāo)為65.24。

圖5 直線y1～y4溫度分布趨勢(shì)圖

水平方向的溫度云圖如圖6所示。水平方向上的溫度分布均勻性較豎直方向有所改善,大部分區(qū)域在23.1℃到25.4℃之間。這是由于兩個(gè)入風(fēng)口呈水平方向左右布置,送到空調(diào)室體中的主流在水平方向上占較大的比例。兩道主流之間的區(qū)域溫度梯度較大,存在部分溫度分布不均勻現(xiàn)象。直線z1～z3溫度分布趨勢(shì)圖如圖7所示,可以得到不同直線上溫度隨著x值變化的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到該截面內(nèi)的平均溫度為23.44℃,溫度均勻度指標(biāo)為7.72。

圖6 水平截面溫度分布云圖

圖7 直線z1～z3溫度分布趨勢(shì)圖

空調(diào)室體內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布狀態(tài)同樣存在不均勻現(xiàn)象,圖8為速度分布云圖和直線上的速度分布趨勢(shì)圖。速度和溫度分布存在明顯的關(guān)聯(lián)性:速度大的區(qū)域溫度較低,速度低的區(qū)域則溫度偏高。由于空調(diào)室體入口和出口直線聯(lián)通區(qū)域附近的空氣流速較大,空氣并未在表熱器充分加熱就流出室體,導(dǎo)致空調(diào)室體的出風(fēng)溫度較低。

計(jì)算得到空調(diào)室體內(nèi)部的各個(gè)狀態(tài)指標(biāo)值如表1所示,溫度和速度均勻度指標(biāo)存在正相關(guān)的關(guān)系。水平截面的平均速度最大,且流場(chǎng)均勻性最好。豎直截面由于局部高溫區(qū)域的存在,其平均溫度最高,且流場(chǎng)均勻性較差,整體出口平均溫度為24.12℃。

表1 空調(diào)室體內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)指標(biāo)

1.3 仿真結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性需要實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證,為得到空調(diào)室體在整體斷面的空氣分布狀態(tài),采用如圖9所示的方式進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)布置,測(cè)點(diǎn)位置遍布于整個(gè)截面,可以全面判斷模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量時(shí)用探頭對(duì)各位置逐一測(cè)量,由于探頭體積較小,可忽略其對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的影響。

圖9 測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

經(jīng)過(guò)測(cè)量并記錄各點(diǎn)的溫度和速度值,其溫度曲線如圖10所示。仿真值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致,將實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算得到溫度場(chǎng)的最大偏差為2.7%,速度場(chǎng)的最大偏差為4.6%,偏差值在5%以內(nèi),說(shuō)明仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際流場(chǎng)相差較小,證明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)說(shuō)明設(shè)定的仿真參數(shù)可行。

2 噴漆室空調(diào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 參數(shù)選取與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用響應(yīng)面法擬合出待優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)之間的二階回歸方程,首先選取待優(yōu)化參數(shù)?？照{(diào)室體的總高度為H,總體長(zhǎng)度為L(zhǎng),入風(fēng)口、出風(fēng)口距離地面的高度分別為m、n,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將保持表冷器與表熱器相對(duì)位置不變,改變其整體在室體中的位置,其位置用表冷器與入風(fēng)口之間的距離l表示。各尺寸定義示意圖如圖11所示。

圖11 各尺寸定義示意圖

將ε、η和φ作為待優(yōu)化參數(shù),其定義如式(2)～式(4)所示。

ε=m/H

(2)

η=n/Η

(3)

φ=l/L

(4)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是提高室體內(nèi)空氣均勻程度,并提高送風(fēng)溫度?？諝饩鶆虺潭扔昧鲌?chǎng)均勻度指標(biāo)Uv表示,優(yōu)化目標(biāo)即為降低流場(chǎng)均勻度指標(biāo)Uv。考慮到空調(diào)入風(fēng)口與出風(fēng)口處風(fēng)管的安裝結(jié)構(gòu),在其上下極限位置分別預(yù)留0.2 m的余量,據(jù)此極限位置可計(jì)算得出ε和η的取值范圍為0.042～0.646。由于表冷器與表熱器需要進(jìn)行設(shè)備檢修,因此其距離入風(fēng)口(出風(fēng)口)壁面的距離需要預(yù)留寬度不小于1.0 m的空間,由此計(jì)算出φ取值范圍為0.122～0.720。

使用Design-Expert軟件生成每組實(shí)驗(yàn)的各個(gè)參數(shù)值列表,采用BBD(box-behnken design)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)次數(shù)和各參數(shù)的設(shè)定[10]。對(duì)每組參數(shù)所確定的空調(diào)結(jié)構(gòu)重新構(gòu)建模型,進(jìn)行CFD計(jì)算得到仿真結(jié)果。參數(shù)值與仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)定值與優(yōu)化結(jié)果表

2.2 回歸方程的建立與優(yōu)化模型的求解

采用線性回歸模型,進(jìn)行優(yōu)化目標(biāo)Uv與三因素之間回歸方程的擬合,得到二階回歸方程:

Uv=12.71-4.25ε+5.61η+0.92φ+5.02εη-

3.22εφ+2.02ηφ+5.55ε2-9.77η2+4.72φ2

(5)

分析響應(yīng)面圖像如圖12和圖13所示,在參數(shù)取值范圍內(nèi)不存在極值點(diǎn),三維響應(yīng)面圖形呈現(xiàn)馬鞍形,無(wú)法通過(guò)圖像判斷目標(biāo)函數(shù)為最值時(shí)各因素的取值,需要通過(guò)軟件優(yōu)化篩選。

圖12 三維響應(yīng)面云圖

圖13 二維響應(yīng)面圖

通過(guò)Design-Expert功能進(jìn)行優(yōu)化分析,設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)Uv的優(yōu)化方向?yàn)槿O小值,通過(guò)計(jì)算得到Uv的極小值為12.230,即空調(diào)室體內(nèi)的速度分布最均勻的狀態(tài),此時(shí)3個(gè)因素ε、η和φ的取值分別為0.400、0.042、0.122。由此根據(jù)3個(gè)因素的定義計(jì)算出對(duì)應(yīng)的空調(diào)室體結(jié)構(gòu)m、n、l的參數(shù)值分別為1.92 m、0.20 m和1.00 m。

重新建立模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證,計(jì)算出均勻度指標(biāo)和送風(fēng)平均溫度如表3所示,本次優(yōu)化速度均勻度指標(biāo)上提高16.8%,出風(fēng)口溫度提高0.23℃,能量利用率有所提高,流場(chǎng)狀態(tài)得到改善。

表3 原模型與優(yōu)化模型結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

以噴漆室空調(diào)室體內(nèi)部流場(chǎng)為研究對(duì)象,采用CFD仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,分析內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài),對(duì)室體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得出以下結(jié)論:

(1)該噴漆室空調(diào)室體內(nèi)部流場(chǎng)分布存在不均勻現(xiàn)象,均勻程度優(yōu)劣依次為水平截面最優(yōu),室體整體空間次之,豎直截面最差。

(2)優(yōu)化結(jié)果表明,改變?nèi)腼L(fēng)口、出風(fēng)口和表冷器的位置能夠提高流場(chǎng)均勻性。