什么是气流组织 两款恒温箱的气流组织模拟与实验验证_张雷杰

安徽农业科学, J o u r n a l o f A n h u i A g r i . S c i . 2009, 37(18) :8752-8754, 8764责任编辑　罗芸　责任校对　施倩倩

两款恒温箱的气流组织模拟与实验验证

张雷杰, 张敏

1

1＊

, 杨乐, 钟志友, 徐曼　

112

(1. 上海海洋大学食品学院, 上海201306; 2. 丹佛斯(上海) 自动控制有限公司, 上海200233)

摘要　引入了C F D 软件对两款常见的恒温箱(上出风型和下出风型) 做了气流组织模拟并进行了实验验证。模拟值与实验值能较好地吻合, 最大绝对误差不超过0. 04m /s。结果显示:上出风型恒温箱由于其扰流强度较大, 能很快地使待测品达到预定温度, 而下出风型恒温箱的气流均匀性较上出风型好。关键词　恒温箱; F l u e n t ; 气流组织; 模拟中图分类号　TB 65　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2009) 18-08752-03S i m u l a t i o n a n dV e r i f i c a t i o n o nA i r D i s t r i b u t i o no f T w o S i z e s o f T h e r m o s t a t Z H A N G L e i -j i e e t a l 　(C o l l e g e o f F o o d S c i e n c e s , S h a n g h a i O c e a n U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 201306) A b s t r a c t 　In o r d e r t o k n o wt h e a i r d i s t r i b u t i o n o f t h e t w o s i z e s o f t h e r m o s t a t (o u t l e t o n t h e t o p , o u t l e t d o w n b e l o w ) , t h e C F Dw a s u s e d t o s i m -u l a t e . T h e c o m p u t i n g r e s u l t s m a t c h e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . T h e m a x i m a l a b s o l u t e e r r o r w a s b e l o w 0. 04m /s. T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t o n e o u t l e t o n t h e t o p c a n m a k e n e e dc h e c k i n g s a m p l e t o g e t t a r g e t t e m p e r a t u r e q u i c k l y b e c a u s e o f i t s s t r o n g f l o wp e r t u r b a t i o n. O nt h e o t h e r h a n d , t h e a i r f l o wd i s t r i b u t i o n u n i f o r m i t y o f t h e o n e o u t l e t d o w n b e l o wi s b e t t e r t h a n o u t l e t o n t h e t o p . K e y w o r d s 　Th e r m o s t a t ; F l u e n t ; A i r d i s t r i b u t i o n ; S i m u l a t i o n

　　如今, 恒温箱是实验室常用的加热、冷却和保温设备。随着科技生产的发展, 恒温箱的应用越来越广泛, 生产、科研对其要求也越来越高。许多学者利用恒温箱做了大量研究工作。张敏等利用L H S -100C A 型恒温箱测定了20、10、0、-10、-20和-30℃等6种不同温度条件下鳗的热导率

[2]

[1]

件在研究气流组织分布方面得到了广泛的应用, 并取得了相当满意的效果

[5-10]

。笔者借助于高性能计算机利用C F D

软件F l u e n t 对常用的两款恒温箱(上出风型和下出风型) 建

立三维计算模型进行模拟及实验验证, 比较了它们的气流组织分布, 为以后的研究提供了理论依据, 具有重要的实用意义。

1　物理及数学模型的建立

1. 1　物理模型　两款某进口恒温箱如图1所示, 其内部尺寸为(长×宽×高) :500m m×500m m×600m m , 方形风口尺寸:80m m×500m m , 圆形风口直径:160m m , 设定温度为-20℃,出风速度0. 2m /s 。　　为了研究方便, 作如下假设:①箱内壁面为绝热; ②

箱

;

谷雪莲等使用美国P e r k i n -E l m e r 公司B L Q -40型恒温箱得出

[3]

了牛乳在不同储藏温度下的新鲜度和比热的变化规律。但是, 关于恒温箱内部的气流组织分布的文献却很少。计算流体力学(C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s , C F D ) 是基于计算机技术的一种数值模拟工具, 用于求解流体的流动和传热问题。C F D 计算相对于实验研究, 具有成本低、速度快、可模拟难以实际测试的环境等优点[4]。近年来, C F D 软

图1　恒温箱结构

F i g . 1　Sc h e m a t i c d i a g r a m o f t h e r m o s t a t

内空气为不可压缩且符合B o u s s i n e s q 假设; ③忽略内部各

表面之间的辐射换热; ④内部空气流动为稳态紊流。

[11]

1. 2　数学模型　箱内气体流场可用下面的通用微分方

基金项目　国家自然科学基金资助项目(30771245) ; 上海市2007年度教程描述(ρφ) +d i v (ρu φ) =d i v (Γg r a d φ) +S t 委重点建设课程项目(6700308) 。

作者简介　张雷杰(1984-) , 男, 上海人, 硕士研究生, 研究方向:制冷及式中, φ代表某一个变量, Γ是扩散系数, S 是源项。上式中

低温工程。＊通讯作者, 博士, 教授, E -m a i l :z h a n g m@s h o u .

各个变量、扩散系数及源项见表1。e d u . c n 。

收稿日期　2009-03-17

　37卷18期　　　　　　　　　　　　　　　　张雷杰等　两款恒温箱的气流组织模拟与实验验证

表1　各控制方程变量、扩散系数及源项

T a b l e 1　V a r i a b l e s , d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s a n d s o u r c et e r m s o f e a c h

g o v e r n i n g e q u a t i o n

方程E q u a t i o n

连续性方程C o n t i n u i t y e q u a t i o n x -动量方程x -m o m e n t u m e q u a t i o n y -动量方程y -m o m e n t u m e q u a t i o n z -动量方程z -m o m e n t u m e q u a t i o n 能量方程E n e r g y -e q u a t i o n

φ1

u v ωi

Γ0μμμλ

S

0- p / x +S M x - p / x +S M y - p / x +S M z

-p d i v (u ) + +S i

图2　温箱网格

F i g . 2　Gr i d d i n g d i a g r a m o f t h e r m o s t a t

8753

2　网格的划分

网格划分在计算中占有非常重要的位置, 对F l u e n t 来说, 不合理的网格划分, 计算时不利于收敛。对三维模型最常采用的是四面体网格。图2是两款恒温箱网格划分后的模型。3　边界条件

3. 1　入口条件　设置速度入口为0. 2m /s 。采用湍流强度

与特性尺寸来定义湍流, 湍流强度:I =0. 16R , 式中R e

1

4　速度场模拟结果

图3～5分别为两款恒温箱的中截面等速度线分布, 从图中可以看出下出风型恒温箱的流场分布较均匀, 腔体内尤其是中央区域大部分的流速小于0. 1m /s。而上出风型的流场波动较大、气流稳定性较差。图6是Y =0c m , Z=30c m 处箱体内的速度变化, 由图6(a ) 可知, 下出风型恒温箱气流最大速度出现在壁面附近, 这是由于气流回风所致。而通过图6(b ) 可以很容易地发现最大风速出现在正对出风口的中央区域, 靠近壁面速度递减

。

为按水力直径D 计算得到H

[11]

。

3. 2　出口条件　设置压力出口边界条件, 默认标准压力为101325P a , 采用湍流强度与特性尺寸定义湍流

。

图3　Y=0(对称面) , X Z 截面等速度线分布F i g . 3　Co n s t a n t s p e e d c o n t o u r s o f s e c t i o n Y =0c

m

图4　X=25c m , Y Z 截面等速度线分布F i g . 4　C o n s t a n t s p e e d c o n t o u r s o f s e c t i o n X=25c m

5　实验验证

5. 1　测点布置　在箱体内布置了15个测试点, 各测点布置位置及标号如图7所示。

5. 2　预测值实测值比较　表2中列出了实验测量值与数

值计算值, 通过对比可以得出两者吻合良好, 最大绝对误差不超过0. 04m /s 。因此可以认为数值计算结果还是比较准

确的。

8754　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年

图5　Z=30c m , X Y 截面等速度线分布F i g . 5　Co n s t a n t s p e e d c o n t o u r s o f s e c t i o n Z =30c

m

图6　Y=0c m , Z =30c m 直线上速度变化F i g . 6　Ve l o c i t y d i a g r a m o f Y =0c m , Z =30c

m

图7　测试点布置

F i g . 7　La y o u t d i a g r a m o f t h e t e s t p o i n t s 表2　恒温箱实测值与模拟值误差对比

T a b l e 2　E r r o r c o m p a r i s o n b e t w e e n m e a s u r e d v a l u e a n d s i m u l a t e d v a l u e

下出风型O u t l e t d o w n b e l o w

序号S e r i a l N o .

123456

模拟值S i m u l a t e d v a l u e

0. 0890. 0100. 0890. 0400. 1100. 069

实测值M e a s u r e d v a l u e

0. 090. 010. 080. 050. 140. 06

绝对误差A b s o l u t e e r r o r

0. 00100. 0090. 0100. 0300. 009

序号S e r i a l N o .

123456

上出风型O u t l e t o n t h e t o p 模拟值S i m u l a t e d v a l u e 0. 1960. 1960. 2000. 0490. 0300. 062

实测值M e a s u r e d v a l u e

0. 180. 180. 190. 030. 010. 04

绝对误差A b s o l u t e e r r o r

0. 0160. 0160. 0100. 0190. 0200. 022

m /s

(接下表)

(下转第8764页)

8764　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2009年

T a b l e 3　I n f r a s t r u c t u r e i n v e s t m e n t p r i c e o f l a n d e x p l o i t a t i o n

元/m

项目I t e m s

2

元/m

2

补偿安置、农民社会保障等的财力也将大量增加。以6级住宅出让用地为例, 除去政府应得的土地开发成本、利润以及部分税费等巨大收益后, 剩下部分为589. 72万元/h m 。

表2　重庆市国有土地使用权出让金标准

T a b l e 2　L a n d t r a n s f e r r i n g f e e s t a n d a r d o fs t a t e d -o w n e d l a n d i n

C h o n g q i n g

土地级别L a n d g r a d e [**************]

商业用地

住宅用地

C o m m e r c i a l l a n d R e s i d e n t i a l l a n d

[***********][***********][***********][**************]0

工业用地I n d u s t r i a l l a n d

[***********]9080

2

开发投资E x p l o i t a t i o n a n d i n v e s t m e n t 5. 4849. 6021. 688. 184. 34

5. 1026. 5730. 00150. 95

“三通一平”“Sa n t o n g y i p i n g ”√√

“五通一平”“Wu t o n g y i p i n g ”√√√

供水W a t e r s u p p l y 道路R o a d

排水、排污

D r a i n a g e , p o l l u t i o n d i s c h a r g e 供电P o w d e r s u p p l y 电话T e l e p h o n e 有线电视C a b l e T V 管道煤气P i p e l i n e g a s 平整土地L e v e l i n g g r o u n d 合计T o t a l

注:“√”表示所含的项目。

√√√

√93. 26

√119. 28

N o t e :“√”i n d i c a t e s c o n t e n t i n g p r o j e c t .

注:表中所列为楼面价出让金, 不包括新征建设用地有偿使用费、征地

费、拆迁安置补偿费及土地开发费用等。

N o t e :P r i c e i n t h et a b l e i s f l o o r p r i c et r a n s f e r r i n g f e e , n o t i n c l u d i n g n e w

s i g n e d c o n s t r u c t i o n l a n d c o m p e n s a b l e u s e f e e , l a n d e x p r o p r i a t i o n f e e , r e m o v a l s e t t l e m e n t c o m p e n s a t i o n f e e a n d s o n o .

偿标准的测算, 笔者认为, 以收益还原法进行征地补偿的基本方法是正确的, 但是现行的补偿标准有待于进一步完善; 政府对于土地征用补偿的支付能力是足够的, 并且有足够的资金用于农民福利保障体系建设和再就业培训。参考文献

[1]刘卫东, 彭俊. 征地补偿费用标准的合理确定[J ].中国土地科学, 2006

(1) :7-11. [2]刘卫东, 楼立明. 对中国土地征用及其管理现状的反思[J ].浙江大学

学报:农业与生命科学版, 2004, 30(1) :63-68.

3　结论

根据对两种补偿方式的合理化探讨以及对现行征地补

表3　土地开发基础设施投资价格

(上接第8754页)

续表2

序号S e r i a l N o . [1**********]415

下出风型O u t l e t d o w n b e l o w 模拟值实测值S i m u l a t e d v a l u e 0. 0890. 0300. 1100. 1100. 0690. 0300. 0890. 110

M e a s u r e d v a l u e

0. 070. 050. 140. 150. 070. 070. 090. 14

绝对误差A b s o l u t e e r r o r

0. 0190. 0200. 0300. 0400. 0020. 0400. 0200. 030

序号S e r i a l N o .

[1**********]415

上出风型O u t l e t o n t h e t o p 模拟值实测值S i m u l a t e d v a l u e 0. 0180. 0180. 0140. 0620. 0410. 0180. 0180. 014

M e a s u r e d v a l u e

0. 010. 010. 010. 080. 070. 030. 040. 01

绝对误差A b s o l u t e e r r o r

0. 0850. 0080. 0040. 0220. 0290. 0120. 0220. 004

6　结论

针对恒温箱送风、回风结构不同的特点, 利用数值计算,

揭示了箱体内速度场的分布特点, 结果表明:

(1) 模拟结果与实验测定值吻合良好, 利用F l u e n t 预测恒温箱内部速度场分布是可靠的。(2) 下出风型恒温箱的气流均匀性较上出风型好。

(3) 上出风型恒温箱扰流强度较大, 能快速地使待测品达到预定温度。参考文献

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