高精度空气接收混合箱的仿真设计

高精度空气接收混合箱的仿真设计摘要：根据空调器测试标准对温湿度取样装置的要求，对空调器焓值法测试台空气接收箱部件进行多种结构的比较，并通过计算机仿真对接收箱内空气混合装置进行优化设计，就箱内气流均匀度对湿球温度测量的影响进行了讨论，仿真结果表明通过在接收箱内加装带有挡流板和导风板的混合器，对其气流的均匀扩散，测量精度的提高有明显效果。关键字：空调器接收混合箱测试精度仿真设计1引言空气焓值法测试系统是利用空调器进出口空气的焓值差来计算制冷量/制热量，是空调器生产企业新产品开发和成品检测的主要测试装置，也是质量监督机构评定空调产品的重要工具。因此对焓值法测试台的测试方法不断改进，提高其测试精度，缩短工况稳定时间，具有很大的现实意义和经济利益。准确测量被测参数的温湿度，对检测空调器的性能具有重要意义。本文根据房间空气调节器［1］的测试要求，对空调器出风混合箱的仿真设计进行介绍。2结构设计空气接收混合箱（图1、图2）是用来接收并精确测量被测空调器室内侧出风温湿度的装置。被测空调器的出风经连接风道送到接收混合箱，因空调器出风方向截面上温度并非均匀，故在取样被测空调出风空气前，可以对该空气进行混合处理，保证取样各点温湿度基本一致。根据国标要求：箱内风速<0.77及最大接收风量2400，确定箱体截面尺寸为1.2m×1.1m（宽A×高B），接收室长度为800㎜。3接收箱空气流动与换热的仿真计算实际上由于标准中接收箱出口未明确要求设置混合装置，往往会造成空调器出风温度不均匀，使得测量误差大，故需通过仿真了解箱内空气流动与换热的规律以指导设计。3.1无混合装置接收箱的仿真计算3.1.1数学模型的简化仅考虑箱内温度在水平方向的变化，将温度场简化为二维模型；（1）箱体内气体为牛顿流体；（2）测量下限风量180时，进风风速仅为0.17m/s，雷诺数远小于临界雷诺数，可以认为箱体内流体为层流，同时又为稳定流；（3）箱体内表面为光滑面；（4）不均匀流体简化风量相同、温度不同的三股流，左右对称。根据前面假设，箱内气流属于层流问题，故满足如下方程式［2］［3］：连续性方程：（1）x、y方向动量方程：（2）（3）能量方程：（4）3.1.2仿真结果将该模型输入某一流体仿真软件，网格按矩形划分，x、y方向动量方程收敛条件为，计算的速度场和温度场分别如图3、4。由图3看出，三股流体比较平稳，相互间干扰很小，结果造成温度分层严重，气流在取样段温度非常不均匀，如图4所示。因为接收室的截面尺寸要比进口大，故气流进入接收室会有一定的扩散运动。为此通过加长接收室长度使接收室内的流体得以进一步扩散，模拟结果如图5、6。从图中看出，加长接收室长度，确实能提高箱内气流的混合程度，气流取样段中间流体与两边流体的温差有所减小，但仍有约1℃温差，这将会引起很大的测量误差。而且加长接收室同时会引起漏热量的增加，故并不是可取措施。图5加长接收室的接收混合箱内速度场3.2增加混合装置接收箱的仿真计算为了提高气流均匀性，考虑在接收室出口前设置一挡流板，其作用是使中间流体向两边流动，并与两边流体混合后进入引风管。3.2.1数学模型此时箱内流动要按照紊流模型计算，其数学模型采用两方程模型［4］［5］。两方程最终张量形式如下：（5）（6）同时箱内空气还满足连续性方程、动量方程、能量方程，即：x、y方向动量方程：（7）（8）能量方程：（9）式中模型中引入了三个系数（）及三个常数（）。将本模型及相关条件输入流体仿真程序，计算结果见图7、8。图7增加挡流板的接收混合箱内速度场3.2.2仿真结果图7说明流体进入接收室前段流体间流动比较平稳，相互间干扰较小；由于尾部挡流板的存在，中间流体速度减小，静压增大，使流体向两边运动，中间流体与两边流体开始混合；同时由于箱体壁面的阻挡，挡板两侧流体的静压增大，使流体形成一个径向力，两边流体向中间收缩，由于惯性力的作用下，流体收缩点并非在引风管的进口，而出现在进口后面的一定位置上；然后流体重新逐渐扩散，并在引风管的后半段充满引风管。在流体扩散的过程中，两边形成了一定的回流现象。图8所示的温度场正好反映了流体的变化情况，在回流段两边流体的温度比中间高，但随着流体扩散的发展，这种温差逐渐减小，当流体重新充满引风管时，流体温度变得相当均匀。虽然这种混合方式最终能得到混合均匀的流体，但由于流体在引风管内扩散过程过长，将引起整个箱体长度过长，增加箱体漏热量。为了缩短收缩流体的扩散过程，采用导风格栅，图9、10为模拟结果。图9说明由于在流体收缩处设置了导风板，使流体很快重新得以扩散，距引风管后部流体流动比较平稳；由于中间导风板的阻挡，中间流体流量比两边流体要小。图10反映流体温度除了靠近引风管壁面区域，各部分温度比较均匀，在实际取样时由于取样风机的作用，引风管内气流会更加均匀。4结论从以上对空调器焓值法测试系统空气接收箱部件进行多种结构的比较和仿真计算分析看出：在接收箱内加装带有挡流板和导风板的混合器，对其气流的均匀扩散，测量精度的提高有明显效果。用仿真方法对接收箱内空气混合装置进行优化设计，结合实际工程应用不断发现问题，改进测试方法，对提高空调器测试水平有重要意义。参考文献1.国家标准委员会.房间空气调节器（GB/T7725-1996）.中华人民共和国国家标准，1996.2.杨世铭.传热学（第二版）