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文獻(xiàn)翻譯
題 目 分體式空調(diào)器室內(nèi)單元
題 目 空氣流動(dòng)和熱交換的研究
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院（系）
指導(dǎo)教師（職稱）
完成時(shí)間
分體式空調(diào)器室內(nèi)單元的空氣流動(dòng)和熱交換的研究
摘要：首先介紹一個(gè)典型的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的剖面，并且用一個(gè)心里測(cè)試的房間來(lái)確認(rèn)空調(diào)裝置的工作能力，得出的結(jié)果與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)據(jù)有0.26%的差別，然后進(jìn)行了從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中得到的速率分布和立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)量值的比較，從而得出結(jié)論在判斷熱量交換和流量特點(diǎn)是剖面模型是非常有用的。
關(guān)鍵詞： 分體式空調(diào)；翅片和管換熱器；橫流風(fēng)機(jī)；立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)
1.引言
目前，能源利用率已經(jīng)成為工程應(yīng)用中最終也好的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。政府和國(guó)際相關(guān)組織通過(guò)制定調(diào)理規(guī)程和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)牢固地控制著能源需求。因?yàn)槿粘５尼t(yī)學(xué)產(chǎn)品包括一個(gè)市場(chǎng)和生產(chǎn)主要元件的能量消耗，他們的產(chǎn)品和商品被產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的控制著。這就意味著，生產(chǎn)商家要更嬌注重產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程。另外一個(gè)重要的原因是消費(fèi)者要求使用更加節(jié)能的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)方案更好的產(chǎn)品來(lái)提升生活質(zhì)量。
與其他日常用的產(chǎn)品相比，對(duì)高品質(zhì)的分體式空調(diào)的要求增長(zhǎng)速度更迅速，充足的通風(fēng)量和熱交換性能的好壞決定了溫度上的舒適度，還需要考慮能效問(wèn)題，這些都是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。分體式空調(diào)的室內(nèi)單元和室外單元石象湖關(guān)聯(lián)的。但是，因?yàn)樵谛》秶鷥?nèi)，保證高性能的需要，室內(nèi)部分的設(shè)計(jì)要花費(fèi)更大的功夫。所以分體式空調(diào)室內(nèi)單元的翅片管式換熱器和橫流風(fēng)扇的外殼設(shè)計(jì)是非常重要的。
翅片管式換熱器由于結(jié)果緊湊，傳熱可靠性高而用于空調(diào)系統(tǒng)。許多研究者對(duì)翅片管式換熱器的性能進(jìn)行過(guò)改進(jìn)，結(jié)果表明空氣異常的換熱器部分比制冷劑異常的部分更加重要，原因是前者有更大的熱阻[1]。一系列的實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化模擬研究也說(shuō)明了這一觀點(diǎn)是正確的[2-6]。在這些研究中翅片管的材料特性，翅片傾斜，管子間距和它們的不知方式，其形狀和翅片的排列方向，空氣側(cè)空氣和制冷劑的性能，以及空氣流動(dòng)條件都在研究之列。一個(gè)翅片管式換熱器典型的部分使用數(shù)字化的3D模型來(lái)研究的。氣流條件和通風(fēng)性能是通過(guò)做實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究的。
表1 術(shù)語(yǔ)
術(shù)語(yǔ)
Cp 比熱容(J/kg K)
k 導(dǎo)熱系數(shù)（W/m K）
m 質(zhì)量流量(kg/s)
Qs 顯熱(W)
Tf 相變溫度（K）
▽T 溫差(K)
σ 密度(kg/m3)
μ 粘度(Ns/m2)
人們對(duì)分體式空調(diào)的內(nèi)部系統(tǒng)做了大量的研究。比如用在風(fēng)道中逐漸擴(kuò)大規(guī)模和原型實(shí)驗(yàn)的方法，試圖找出分體式空調(diào)的性能和斷面形狀的關(guān)系[7]。一個(gè)最理想的家用空調(diào)翅片形狀可以從他們目前最新設(shè)計(jì)的模型中得出。另一個(gè)換熱器性能的實(shí)驗(yàn)是Tuztas和Egrica在風(fēng)道中完成的，使用與之前類似的技術(shù)得到了一個(gè)不同幾何尺寸換熱器的實(shí)驗(yàn)數(shù)值的數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。Taler研究中用到了一種用于得出傳熱系數(shù)的數(shù)字化模型，用于研究不同型號(hào)的帶有延伸表面的翅片管換熱器的液體面和氣體面[9]。發(fā)展成熟的數(shù)學(xué)分析模型比用于判斷新型翅片管換熱器，空調(diào)系統(tǒng)和制冷裝置的特性。Borrajo-Palaez用的是三維模擬的方法來(lái)完成換熱器兩側(cè)的換熱性能[1]。Xie模擬翅片管換熱器空氣側(cè)換熱時(shí)，分別使用了多排較小直徑管子和少量較大直徑管子來(lái)獲得熱交換性能和空氣流動(dòng)性能的相互關(guān)系[11]。
2
圖1空調(diào)器室內(nèi)單元裝配圖
就提高分體式空調(diào)的性能來(lái)說(shuō)，翅片管式換熱器和橫流風(fēng)機(jī)都是重要的因素。河流風(fēng)機(jī)在空調(diào)中應(yīng)用廣泛，并且它們的外殼影響到空氣的流動(dòng)，從而會(huì)影響到熱交換器的換熱性能。研究者們往往把目光放在橫流風(fēng)機(jī)形成的復(fù)雜的空氣運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上，而且大部分的實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化的研究已經(jīng)能夠判定氣流特性和簡(jiǎn)化了的河流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[12-16]。Dang和Bushnell研究表明，不同于幾何尺寸、外殼、橫流風(fēng)機(jī)的方向，更重要的是風(fēng)扇的位置和由風(fēng)機(jī)循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的古怪漩渦的量級(jí)大小[17]。實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字化模擬氣流區(qū)域包括葉輪在內(nèi)的形狀和古怪強(qiáng)力的漩渦是由Toffolo提出的[19]。Cabi和Klemrn在研究中提出用實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化的方法研究橫流風(fēng)機(jī)內(nèi)的空氣流和我想的空氣動(dòng)力學(xué)，他們的研究結(jié)果表明，技術(shù)流體動(dòng)力學(xué)是完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的有用工具[20]。
現(xiàn)在有以下研究是做出分體式空調(diào)室內(nèi)單元的整個(gè)裝配模型。Shih提出運(yùn)用二維幾何數(shù)字化模擬常用分體式空調(diào)室內(nèi)單元的橫流風(fēng)機(jī)。同時(shí)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)也是一個(gè)可以成功模擬復(fù)雜幾何運(yùn)動(dòng)的方法[21]。根據(jù)相同的原理，模擬結(jié)果使得橫流風(fēng)機(jī)得以發(fā)展。Xue在研究中提出一個(gè)與上述實(shí)驗(yàn)類似的數(shù)字化模擬分體式空調(diào)室內(nèi)單元的橫流風(fēng)機(jī)用于制冷劑工況的模擬。用來(lái)判斷其內(nèi)部流動(dòng)的特性[22]。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出兩種氣相（干空氣和濕空氣）會(huì)影響到橫流風(fēng)機(jī)的性能的研究結(jié)果。Moukalled創(chuàng)建了3D數(shù)字化模型來(lái)預(yù)測(cè)屋頂上的空調(diào)器內(nèi)部氣流的速度、溫度、濕度的分布。雖然通過(guò)綜合地模擬熱交換器和風(fēng)扇，增加了柵格的規(guī)格和計(jì)算成本，但是可以使研究人員得出一個(gè)可靠的模型和更精確的結(jié)果，他們預(yù)測(cè)了設(shè)計(jì)條件下設(shè)備的顯熱和潛熱的制冷能力。
和在上文中提到的相同，計(jì)算空氣流體動(dòng)力學(xué)在表示和理解復(fù)雜的流體特性是十分成功的。分體式空調(diào)室內(nèi)單元部分已經(jīng)被作為一個(gè)單獨(dú)的部分模擬出來(lái)了，但是，最近的研究表明及時(shí)是整個(gè)系統(tǒng)也可以用大量的的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模。裝置的3D模型是判斷空氣側(cè)氣流和熱交換的基礎(chǔ)，除了小而典型的部分，（比如數(shù)字化模擬翅片管）所以，在這項(xiàng)研究中，為了模擬分體式空調(diào)室內(nèi)單元引入了一個(gè)典型的剖面模型，分析熱傳遞和流體流動(dòng)是為了得出相關(guān)的溫度和速度分布。另外，數(shù)字化手段的作用是通過(guò)比較熱交換能力的實(shí)驗(yàn)和SPIV分析裝置剖面數(shù)據(jù)得到結(jié)果，以達(dá)到檢測(cè)的目的。
2.數(shù)字化研究
常用分體式空調(diào)室內(nèi)單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由四部分組成：橫流風(fēng)機(jī)、后壁、旋渦壁和翅片管式換熱器。熱交換器的幾何數(shù)據(jù)和橫流風(fēng)機(jī)及其腔體是影響空調(diào)性能的參數(shù)，更多的熱量交換和更少的壓力降低是翅片管式換熱器更好的設(shè)計(jì)方案，然而，提供足夠流速的同時(shí)再出口處更小的壓力波動(dòng)是橫流風(fēng)機(jī)的一個(gè)主要目標(biāo)。這些參數(shù)是定義分體式空調(diào)室內(nèi)單元性能標(biāo)準(zhǔn)的有效數(shù)值，這些參數(shù)對(duì)分體式空調(diào)室內(nèi)單元的影響也是這次研究的對(duì)象之一。
通過(guò)假定換熱器是多孔介質(zhì)的方法可以進(jìn)行二維建模分體式空調(diào)室內(nèi)單元的內(nèi)部流體流動(dòng)。這個(gè)假設(shè)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是在有限體積格柵中減少了節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，然而值得注意的是熱交換器壓力值降低的特性。Shih在研究中提出用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法實(shí)習(xí)對(duì)翅片管式換熱器中壓力降低特性的分析來(lái)解決上述問(wèn)題，但是，因?yàn)榉煮w式空調(diào)內(nèi)部翅片管式換熱器具有復(fù)雜的幾何特性，所以這一方法并不適用于所有的模型。另外，裝置內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)和橫流風(fēng)機(jī)的流動(dòng)特性會(huì)對(duì)流體通過(guò)翅片管式換熱器不同界面是產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，然而，這些數(shù)據(jù)在翅片管式換熱器的外部進(jìn)行試驗(yàn)是不能得到的。此外多孔介質(zhì)的假設(shè)對(duì)于確定裝置的熱交換特性是不夠的，因?yàn)闊峤粨Q只在熱交換器內(nèi)部發(fā)生，卻沒(méi)有對(duì)翅片管式換熱器翅片間空隙進(jìn)行建模，數(shù)字化建模中沒(méi)有考慮到翅片間流體流動(dòng)的變化。所以，均勻的多孔介質(zhì)的假設(shè)并不適合于研究流體流動(dòng)的局部熱量交換。幾乎沒(méi)有哪一項(xiàng)研究對(duì)傳熱建模是在分體式空調(diào)室內(nèi)單元內(nèi)部進(jìn)行的，但是卻有很多三維數(shù)字化研究是對(duì)翅片管式換熱器單獨(dú)建模的。并且計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)于檢查空氣一側(cè)熱交換和流體特性是非常有用的一個(gè)工具，所以三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法適合用于解決分體式空調(diào)室內(nèi)單元流體流動(dòng)和熱交換的問(wèn)題研究。
整個(gè)來(lái)自于生產(chǎn)者的模型都是為了簡(jiǎn)化，而且在一些地方做了修改，比如在一般工況下建立的翅片管式換熱器的三維模型，以剖面模型為代表，裝配好的分體式空調(diào)的重復(fù)截面是固定的值。這個(gè)幾何尺寸下，排水管，濾塵器和裝置的外殼以及小的裝配零件都沒(méi)有建模，其目的就是簡(jiǎn)化。這一預(yù)測(cè)的根據(jù)是這些要素微不足道的影響，其基礎(chǔ)是有一個(gè)好的網(wǎng)套，然而作為對(duì)橫流風(fēng)機(jī)性能影響最大的后壁和旋渦壁并沒(méi)有做出任何的變化。
把分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的模型放入一個(gè)半圓形的區(qū)域，它代表的是裝置外部的空氣。雖然把外部空氣引入模型內(nèi)部會(huì)增加系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，但是入口和出口對(duì)于流體的影響可以把真實(shí)環(huán)境更好地表現(xiàn)出來(lái)，外部受影響的空氣的直徑是風(fēng)機(jī)直徑的20倍，翅片的厚度決定了3D模型的厚度。模型包括六個(gè)幾何尺寸：2個(gè)半值厚度鋁翅片，翅片間的空氣，這部分內(nèi)部的空氣，橫流風(fēng)機(jī)葉輪間的空氣（模型中旋轉(zhuǎn)的部分），風(fēng)機(jī)內(nèi)部的空氣，裝置內(nèi)部的空氣。
空調(diào)器數(shù)字化模擬的兩個(gè)重要步驟就是生產(chǎn)適合的數(shù)字化網(wǎng)格，網(wǎng)格有很多種形式和尺寸，如棱柱形和受擠壓的四面體可以用于模型中。不同擠壓層的數(shù)值和表面元件的數(shù)據(jù)對(duì)研究結(jié)果的影響也是應(yīng)該考慮的問(wèn)題。在翅片管式換熱器的翅片之間距離翅片更近的及壓差厚度更小，而且是從翅片到空氣中遞增的。為了更為精確判定流體流動(dòng)和熱量交換，在風(fēng)機(jī)葉輪出口和入口特別是翅片周圍空氣環(huán)繞的部件要選擇尺寸更小的。詳細(xì)的數(shù)字化網(wǎng)格中包括2482876個(gè)棱柱體元件和1614599個(gè)節(jié)點(diǎn)。
為了減小求解過(guò)程的計(jì)算負(fù)荷，只把翅片作為固體來(lái)建模，原因是它對(duì)于傳熱性能有很重要的影響。至于其他的固體區(qū)域，比如部件的外殼和風(fēng)機(jī)的葉輪在建模的時(shí)候都與絕熱墻在一起，并假設(shè)它們對(duì)傳熱的影響不大，雖然它們對(duì)流體流動(dòng)條件的影響是很大的。邊界條件是根據(jù)檢測(cè)室數(shù)據(jù)TS EN14511：2007和ISO 5151[24]標(biāo)準(zhǔn)，這也是用來(lái)確定分體式空調(diào)器工作能力的主要工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)分析是為了做出冷卻條件標(biāo)準(zhǔn)。給出了進(jìn)口和出口的邊界條件的數(shù)值模型，外部溫度是300K，相對(duì)壓力是0Pa。適當(dāng)?shù)姆纸缑婺Ｐ腿缌黧w和固體區(qū)域之間或者轉(zhuǎn)動(dòng)的和靜止的部件之間都在項(xiàng)目中詳細(xì)列出來(lái)了。假設(shè)正面的兩側(cè)是對(duì)稱的并且風(fēng)機(jī)部分被定義成驅(qū)動(dòng)橫流風(fēng)機(jī)中流體運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了模擬激流的流體，使用了k-Σ標(biāo)準(zhǔn)模型，使用它的原因是它包括的范圍廣。這個(gè)模型中一般目標(biāo)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)代碼都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，并且它還被認(rèn)為是業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)模型。它之穩(wěn)定的，數(shù)字化上是健全的，并且有設(shè)定好的預(yù)測(cè)能力。
圖2 SAC室內(nèi)單元三維數(shù)字化模型 （a）三維模型的區(qū)域（b）環(huán)境空氣和重要的風(fēng)機(jī)部件
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圖3數(shù)字化模型網(wǎng)格細(xì)節(jié)（a）數(shù)據(jù)網(wǎng)格（b）SAC室內(nèi)單元網(wǎng)格細(xì)節(jié)（c）通過(guò)擠壓層厚度（d）風(fēng)機(jī)葉輪周圍詳細(xì)網(wǎng)格視圖
空氣的熱物性，比如密度（r），熱容（Cp），質(zhì)量流量（m）和導(dǎo)熱系數(shù)（k）這些參數(shù)都在氣化溫度290K的條件下給出。從蒸發(fā)器管道出來(lái)的R22制冷劑的冷卻效果適用于翅片和280K恒定溫度下的空氣側(cè)管道表面。對(duì)三維穩(wěn)定狀態(tài)的反復(fù)分析一直持續(xù)到剩下的達(dá)到10à4并且域內(nèi)的不平衡值降到低于0.0001%。
表2 空氣的熱物性
Tf(K) σ(kg/m3) Cp(J/kg k) m(Ns/m2) k(W/m k)
290 1.208 1006.8 1.796X10-5 0.0255
3.結(jié)果和討論
3.1空氣流量
數(shù)字化模擬的結(jié)果可以觀測(cè)到邊界條件和橫流風(fēng)機(jī)速度（1200rpm），這一速度值可以在標(biāo)準(zhǔn)TS EN 14511：2007和ISO 5151中查出。流體條件是以流線的形式給出的，給出壓力分布，速度矢量圖以及溫度分布是為了模擬傳熱特性。
在圖4中給出了整個(gè)模型的流線和裝置內(nèi)部的詳細(xì)流體流動(dòng)方式。空氣通過(guò)吸入格柵進(jìn)入裝置內(nèi)部，并在圖中標(biāo)記A和B的部分發(fā)生再循環(huán)，由于靠近入口，所以這一過(guò)程發(fā)生在前側(cè)和后側(cè)。流體流動(dòng)通過(guò)換熱器的翅片時(shí)被變直，然后空氣進(jìn)入橫流風(fēng)機(jī)的翼型格柵。另外一個(gè)再循環(huán)的區(qū)域在圖4中用C標(biāo)出，這一再循環(huán)很大程度上依靠的是后壁的形狀和位置以及位于后壁上部分的舌狀物。另外，C區(qū)域的旁邊，有一個(gè)用D來(lái)表示的漩渦，這是由后壁和舌狀物再次驅(qū)動(dòng)的。通過(guò)葉輪的里面，流體直接向后并且受到后壁和古怪漩渦的擠壓，這一點(diǎn)在圖4中用E來(lái)表示。漩渦D和E是橫流風(fēng)機(jī)流體的特性，雖然根據(jù)后壁的特性來(lái)說(shuō)漩渦D可能是不存在的。因?yàn)榈蛪毫Φ膮^(qū)域已經(jīng)在圖5中用E表示出來(lái)了，所以這個(gè)古怪的漩渦是橫流風(fēng)機(jī)流體的主要源頭，它提供了逆流而上的空氣其功能像是一個(gè)塞子擋住了順流而下倒流的空氣。古怪漩渦的形狀和位置很大程度上取決于旋渦壁的幾何參數(shù)。另外一個(gè)漩渦位于旋渦壁的下部，人們認(rèn)為它是旋渦壁周圍壓力波動(dòng)的結(jié)果。
8
圖4流線和SAC室內(nèi)單元重要的流體結(jié)構(gòu)
一項(xiàng)關(guān)于裝置外部流體的研究在圖4中表示出來(lái)了，它顯示了空氣從外部的上層移動(dòng)到被吸入的孔洞，然而在裝置的出口處，有噴射的流體出現(xiàn)，其出現(xiàn)的位置是被限定的空氣流流出和周圍的空氣進(jìn)行混合。噴射的流體是由巨大的速度差造成的，這個(gè)速度差產(chǎn)生在被限定的空氣和裝置周圍的空氣之間，它的特點(diǎn)是持續(xù)增長(zhǎng)的下層空氣形成的斷層。
圖5壓力等值線
9
空調(diào)器空氣吸入口和排出口的空間中流體的特點(diǎn)在圖6和7中用速度矢量來(lái)表示。這些速度矢量分布顯示是比流線更加詳細(xì)的方法，而且它們對(duì)于理解局部的流體對(duì)于溫度分布的影響。通過(guò)管道表面流體被分開(kāi)，在管道后方會(huì)形成漩渦并且在空調(diào)器的拐角和舌狀物的部分形成回流，這些在圖中分別表示為A，B和C?？諝饬髦苯油ㄟ^(guò)換熱器翅片會(huì)影響到翅片管式換熱器對(duì)流換熱的性能。所以，對(duì)于更深入的研究，矢量區(qū)域信息是有用的，比如是換熱器表面區(qū)域換熱效率更高，而且可以重新設(shè)計(jì)裝置的幾何尺寸和橫流風(fēng)機(jī)的位置。
圖6空調(diào)機(jī)組流體流入口矢量區(qū)域和重要的流體結(jié)構(gòu)
圖7空調(diào)機(jī)組流體流出口矢量區(qū)域和重要的流體結(jié)構(gòu)
3.2溫度分布
熱量交換的結(jié)果已在圖8中表示出，等溫線在數(shù)字化模型的中平面中表示出來(lái)，它僅僅包含了空氣的溫度分布。在27℃時(shí)，周圍空氣流的溫度直到通過(guò)換熱器的翅片和管道才會(huì)發(fā)生變化。翅片管式換熱器在不同區(qū)域出口處溫差大小可以達(dá)到10℃，雖然橫流風(fēng)機(jī)混合的是來(lái)自于翅片管式換熱器的空氣，而且，溫度分布也在
趨于均勻，但是裝置的出口區(qū)域混合時(shí)溫差仍然達(dá)到4℃。在速度分布圖上，可以清楚地看到激流射出來(lái)，在核心的區(qū)域溫度是很低的。隨著受限制的空氣和周圍空氣進(jìn)行混合，溫度開(kāi)始升高，等溫線的幅度持續(xù)增大直到核心區(qū)域消失于下層流體。
圖8空氣側(cè)溫度分布
圖9 FTHE不同區(qū)域的溫度分布（a）中平面上翅片間的空氣（b）鋁翅片（c）FTHE的可視化溫度分布
表3粒子圖像測(cè)速法
組成 規(guī)格
激光 135mj、15Fps雙脈沖激光流動(dòng)感應(yīng)馬克Ⅱ4MPX傳感器
相機(jī)鏡頭 60mmF2蔡司平面微距鏡頭
計(jì)算機(jī) 戴爾T7500
其他 同步器和電纜
霧發(fā)生器 普通霧發(fā)生器
有一個(gè)區(qū)域明顯比換熱器其他部分溫度低（用G來(lái)表示），在結(jié)果中給出了空氣側(cè)和翅片側(cè)的溫度分布在圖8和9。由于再循環(huán)的空氣在區(qū)域C換熱器的后面，這在流線和速度矢量結(jié)果中也表示了，空氣在翅片管式換熱器的這一部分被再次冷卻。這使得換熱器的利用率降低。
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圖10裝置流體流出區(qū)域體積和平面測(cè)量研究
在鋁翅片上介于翅片間的空氣在中平面的溫度分布已經(jīng)在圖9 a和b中分別表示出來(lái)了。整個(gè)翅片管式換熱器模型的可視化溫度分布已經(jīng)在圖9c中表示出來(lái)了。
3.3實(shí)驗(yàn)研究
3.3.1.熱傳遞能力測(cè)試
兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)研究都用來(lái)驗(yàn)證數(shù)字化研究的結(jié)果。一個(gè)是濕度測(cè)試房間有60000BTU/h,用分體式空調(diào)器來(lái)判定它的工作能力。實(shí)驗(yàn)的根據(jù)是TS EN14511：2007和ISO 5151標(biāo)準(zhǔn)并且在房間實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)字化模擬結(jié)果之間控制應(yīng)對(duì)結(jié)果，裝置的顯熱用于這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。質(zhì)量流量和溫差從數(shù)字化模擬中得到，用方程式
Qs=mCp▽T
顯熱容量的計(jì)算值是3061.15W，而且實(shí)驗(yàn)測(cè)定的值是3069.1W，這表明，數(shù)字化模擬裝置內(nèi)部的熱傳遞是很成功的。
3.3.2.立體粒子圖像測(cè)速法
從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法得出的數(shù)字化模擬速度分布的結(jié)果和可視化流體實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。立體粒子圖像測(cè)速法需要高科技技術(shù)和靈敏的裝置以及謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，它用來(lái)測(cè)定速度。立體粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)基本包括一架相機(jī)，一臺(tái)造霧器，一臺(tái)電腦和控制部件的軟件以及一些后期處理，計(jì)時(shí)器和電纜。詳細(xì)的裝置在
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表2中已經(jīng)給出。在空氣中混入微型顆粒，由激光通過(guò)適當(dāng)?shù)溺R頭形成的一片光由微型顆粒散射的光通過(guò)相機(jī)，這些散射光和激光同步，由此來(lái)保證照片都是在正確的時(shí)間拍下的。從相機(jī)內(nèi)的連續(xù)圖像處理后得出粒子群在一定時(shí)間內(nèi)的位移和每一個(gè)區(qū)域的速度矢量。根據(jù)測(cè)量組合這些載體形式矢量流。測(cè)量在3480X6840mm范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)用的組件都是放在長(zhǎng)方形的房間內(nèi)。
一個(gè)裝有橫流風(fēng)機(jī)的出口被平均分成9個(gè)測(cè)量平面用來(lái)顯示出裝置流出的流體。實(shí)驗(yàn)區(qū)域是這些195X150mm的平面中的每一個(gè)。體積是在流體流出區(qū)域內(nèi)研究的，這些測(cè)量在圖10中已經(jīng)給出。流體結(jié)構(gòu)不同截面上流出流體和橫流風(fēng)機(jī)裝置圖已經(jīng)在平面圖11中給出，根據(jù)200個(gè)瞬時(shí)速度來(lái)求解出平均速度。二維流體所顯示的矢量圖由空氣平面運(yùn)動(dòng)組成，這部分是灰色的，黑色的表示的是紙平面內(nèi)，白色的表示的是紙平面外。在圖11中可以清晰的看到激流，它是通過(guò)研究區(qū)域的對(duì)角線的；然而流體在裝置不同部分是不同的。
平面內(nèi)在流體邊緣處沿對(duì)角線對(duì)平面1的研究區(qū)域進(jìn)行研究。在平面內(nèi)的速度分量的幅度可以達(dá)到2m/s，在出口和平面內(nèi)是0.6m/s，這表明流體從周圍空氣中進(jìn)入實(shí)驗(yàn)房間后存在于研究區(qū)域的左邊?？梢栽谳^低處的左邊和較高處的右邊看到激流運(yùn)動(dòng)到周圍的空氣中。在裝置中，再循環(huán)流體的位置低于激流，它是橫向平面內(nèi)流體的分量。
在平面激流中可以清楚的看到它，在平面2中出口處的速度分量是5m/s。隨著研究從平面邊緣向平面中心移動(dòng)，邊緣效應(yīng)消失，在左下和右上部分觀察空氣進(jìn)入主流體的運(yùn)動(dòng)。橫向流體在研究區(qū)域的左下部分也在發(fā)生改變，在出口接近上部的地方其強(qiáng)度在增強(qiáng)，在平面外的區(qū)域速度可以達(dá)到-1m/s。
對(duì)平面3和4來(lái)說(shuō)，橫向流體逐漸變薄，其平面外的組件的變化幅度減小。然而，平面射流的形狀和速度分布在這些平面內(nèi)沒(méi)有任何差異。在平面內(nèi)5-6m/s的速度通過(guò)研究區(qū)域的對(duì)角線右側(cè)后在在裝置的出口處下降到4-5m/s。分體式空調(diào)器室內(nèi)單元出口處流體結(jié)構(gòu)開(kāi)始在平面5內(nèi)發(fā)生變化。激流上移到平面5，它幾乎是沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)的平面流體組件。此外，在平面內(nèi)裝置的出口處速度的大小減小到3-4m/s。流體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)平面6來(lái)說(shuō)更加重要，在其中，出平面裝置的速度從負(fù)變到正，那意味著橫向流動(dòng)的方向改變了。平面內(nèi)的速度分布回歸到其正常的分布，它有一個(gè)更加廣泛的激流截面。平面8內(nèi)的激流橫截面比7中更大，而強(qiáng)度也更強(qiáng)。在平面9內(nèi)，位于邊緣的出口區(qū)域，激流在平面內(nèi)是看不到的，但是流體平面組件
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顯示正值，所以表明在這個(gè)平面內(nèi)存在橫向的流體。
圖11SAC室內(nèi)單元不同區(qū)域流體結(jié)構(gòu)橫斷面圖
圖12SAC室內(nèi)單元流體結(jié)構(gòu)三維圖
雖然平面6在裝置的幾何中心，但是，它并不是激流的中心。電機(jī)和控制單元位于該裝置的左側(cè)，在裝置的這一區(qū)域內(nèi)是沒(méi)有任何的流體的。因此，分體式空調(diào)室內(nèi)單元的關(guān)鍵部分有直接的橫流風(fēng)機(jī)的平面6，來(lái)自兩邊的橫向流體在平面6中心相遇。速度場(chǎng)可以從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法從不同平面中得出從而得到分體式空調(diào)器室內(nèi)單元可視化三維立體流出流體的結(jié)構(gòu)。由此得到等值面，流體在面內(nèi)的速度分量大小是3.5m/s，這個(gè)數(shù)值和測(cè)量平面在圖12中給出。平面6射流在中心被分成兩部分，并且另個(gè)流體結(jié)構(gòu)的峰值是非常明顯的。從實(shí)驗(yàn)中可以看出，平面激流收到分割邊緣和三維結(jié)構(gòu)的影響非常大；然而我們卻不能建立關(guān)于邊緣影響和三維流體結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型來(lái)進(jìn)行研究。因此，把實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和數(shù)字化模擬的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，隨機(jī)的選擇一個(gè)測(cè)量面，很可能就會(huì)選擇一個(gè)錯(cuò)誤的平面。作為一個(gè)結(jié)果，平均流體的速度在六個(gè)平面內(nèi)（2、3、4、5、7、8）在其中受到流體干擾更小，可以進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)比較數(shù)字化研究結(jié)果。
圖13路徑比較圖
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圖14空調(diào)器模型出口區(qū)域不同路徑CFD和SPIV速度數(shù)據(jù)的比較圖
（路徑1、2、3、4、5、6）
在裝置的出口處定義了六條路徑在不同的流向位置，它位于垂直于平面激流沿流動(dòng)方向；用來(lái)比較數(shù)字化和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。在平面內(nèi)定義的相對(duì)于無(wú)量綱激流正常坐標(biāo)路徑上的速度，是以激流位置正常比率到設(shè)備出口截面的高度。和在圖14中表示的一樣，這種方式的結(jié)果有一個(gè)峰值速度分布圖形，但是對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)有一個(gè)范圍更廣的峰值。另外，速度的最大值同樣有相匹配的數(shù)字化模型和實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果。定義路線的位置幾乎和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)得到的數(shù)據(jù)相同并且速度分布曲線是對(duì)稱的而且隨著流體通過(guò)下層的發(fā)展有了更廣泛的范圍。然而，對(duì)立體粒子圖像測(cè)速技術(shù)結(jié)果峰值的位置變化，兒流體非對(duì)稱的速度分布曲線越來(lái)越大，這是流體在下層發(fā)展時(shí)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)得出的結(jié)果。速度分布的差異通過(guò)下層流體減小可能是橫向流體不能被建立剖面模型造成的。
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4.結(jié)果
在這次研究中，引入了眾所周知的翅片管式換熱器的數(shù)字化模型，其目的是為了判定一個(gè)更加復(fù)雜的幾何尺寸系統(tǒng)的溫度和速度分布，這一系統(tǒng)就是分體式空調(diào)器室內(nèi)單元。雖然在過(guò)去有很多關(guān)于分體式空調(diào)器的數(shù)字化和實(shí)驗(yàn)研究，但是這次是第一次用一個(gè)剖面模型同時(shí)研究流體和熱交換。該數(shù)字模型的驗(yàn)證使用的是熱傳遞能力的測(cè)試和立體粒子圖像測(cè)速法測(cè)量裝置的出口截面。這項(xiàng)研究結(jié)果表明，數(shù)字化模擬和實(shí)驗(yàn)研究得到的結(jié)果差別在可以接受的范圍之內(nèi)，并且，數(shù)字化研究剖面模型是一個(gè)很好的用于判定分體式空調(diào)器熱量傳遞和流體特征的工具。在心理測(cè)試房間得到的數(shù)據(jù)和數(shù)字化模型得到的數(shù)據(jù)的差別是0.26%，并且出口處速度和由立體粒子測(cè)速法得到的數(shù)據(jù)是一致的。數(shù)字化研究是理想化的位置得到的，所以一些元素沒(méi)有被建模（一些組件，濾波器等），計(jì)算時(shí)的假設(shè)和錯(cuò)誤，以及制造裝配時(shí)引入的缺陷都是不考慮的。另外，平面外流體結(jié)構(gòu)對(duì)主流體的影響在剖面模型總減小了，因此，從實(shí)驗(yàn)中得到的流體速度和從數(shù)字化模擬中得到的速度有差別是合理地。
雖然二維模型在有限體積內(nèi)減少節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和減輕計(jì)算負(fù)荷是有優(yōu)勢(shì)的，原因是熱量傳遞只發(fā)生在換熱器的內(nèi)部，但是翅片管式換熱器的多孔介質(zhì)模型不適用于表示流體流動(dòng)對(duì)傳熱的影響。用今天的電腦技術(shù)，建立整個(gè)裝置的模型而不是模型的剖面也是可能的，但是這會(huì)高估和浪費(fèi)時(shí)間。在這項(xiàng)研究中，數(shù)字化模擬得到了發(fā)展，它不僅僅是在分體式空調(diào)器的設(shè)計(jì)方面也在其他有翅片管式換熱器或者橫流風(fēng)機(jī)的裝置的設(shè)計(jì)方面是一個(gè)非常有用的工具。
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