1、 第 卷 第 期 年 月 收 稿日期：基 金项目：贵州省科技 计 划项目（黔科合 支 撑 一 般）；贵 州省科技 计 划项目（黔科合 支 撑 一 般）作 者简介：苏（），男，贵 州贵 阳 人，硕士，高 级 工 程 师，研究方向为 信息 技术研究与应用；余 萱（），女，贵 州贵 阳 人，学士，工 程 师，研究方向为 信息 技术研究与应用，通 信 作 者。空 调外 机的 温度 场 模拟 苏 阳，余 萱，李 家 春，黄 海 松，吴 艳 英（中 国 南 方 电 网 贵州电 网公司 信息 中 心，贵州贵阳；贵州大学机械 工程学院，贵州贵阳；贵 州 理 工学院，贵州贵阳）摘 要：空 调 外 机 作 为 空
2、 调 重 要 换 热 的 部 件，其 温 度 过 高 会造 成 外 机 运 行 故 障，从 而导致 系统 瘫痪，所 以 针对 空 调 外 机 温 度 场 进行数 值 模 拟，计 算 和仿真 温 度 较 高 区 域，便 于 对 空 调 外 机 高 温 处 进行 温 度 控制，优 化 外 机 运 行环境。通过 外 机 内 部 流体 的 换 热，热 传 递 及 其 对 流，建 立流体 内 部 导 热 方 程，同 时建 立 空 气 与 风 扇 的 控制 方 程，设 置 边界 条 件，完成空 调 外 机 理 论 建 模，利 用 软 件，模 拟 正 常换 热 过程，来 观察外 机 内 部 流体 不 同 时
3、 刻温 度 变化，空 气 出 口温 度，得 到 不 同 时 刻 空 调 内 部 流 场 温 度分 布 图。通过 分 析 能 较 准 确地得 到 空 调 外 机 温 度 场 分 布，为实 际 空 调 外 机 温 度 控制及 其 监 测 提 供 理 论 支 撑。关键词：空 调 外 机；温 度模 型；数 学 模 型；仿真 中图分类号：；文 献标志码：文 章编号：（），（，；，；，）：，：；阳苏 阳 等：空调外 机的 温度 场 模拟 机电一体化 引言 随着现代技术 的 革 新，空 调 控制 的 技术 日 益 成 熟。温 度、湿 度 及 流 速 是 空 调 性 能的 主 要 参数，控 制 以上参数，需要
4、 新 风 与 热 风 进 行 交 替，通过 外 部 换 热 器 进 行 热 量 交 换。空 调 系 统 包括 制 热 和制 冷 源、冷 却 液 输 配 系 统、风 机、换 热 器等 部 件，而空 调 系 统的 冷 热 源 换 热 器 是 空 调 外 机 的 核 心 部 分，所 以 在 进 行 冷 热 源 换 热 过程中 伴 随 能 量变化，其 以 温 度 变化 表 现 出来。空 调 外 机 表 面 的 温 度 状 况 可以 间 接反 映 出 空 调 外 机 热 交 换 器工 作 状 况，热 交 换 器 在 超 负荷 运行，空 调 温 度 表 征 温 度 高 于 正 常 工 作 温 度，从 而
5、通过 温 度 来 判 断 空 调 外 机 系 统 工 作是 否 良 好。由 于 外 机 温 度 过 高 可 能导致 空 调 整 个系 统 故 障，所 以 为 了 避免 空 调 外 机 温 度 异 常 而 出 现 故 障，对 外 机 进 行 温 度 监 测 是 有 必 要的。可通过 红 外 热 像 仪 对 空 调 外 机 进 行 温 度 检测，对 空 调 温 度 变化 实 时 响 应，获 取 比较 准 确 温 度 值。国 内 对 空 调 系 统的 研究 较 多，文献 探 究 某 型 号 空 调 外 机 轴 流 风 扇，利 用 数值 模 拟 对 风 扇 的 稳 态 流 场模 拟，揭 示 了 风 扇
6、 流 场的 特 征；文献 通过 空 调 外 机 高 速 旋 转 风 扇 的 叶 片 进 行 三 维 流 固 耦 合 场的模 拟 及 分析，结果 表 明 流 体 对 叶 片 气 动 特 性 及 结构 参数 相 关；文献 和 文献 以某 高 层 建 筑 为 实 时例 子 利 用，分析 影响 空 调 外 机 排 风 热 环境的因 素，并 提出 热 交 换 的 解决 方 案。上 述 文献 都 对 空 调 外 机 进 行 一 些 研究，利 用 数值 计 算对 空 调 仿真，可 优 化某些参数，但 是 很 少 涉 及 到 空 调 外 机 温 度分 布 模 型 及 检测 和 监 测 温 度的 研究。本 文
7、从 流 场 方 面 建 立空 调 外 机 热 源 及 温 度分 析 体 系。基 于 传 热 学 及 空气 流动 传 热 特 性，建 立空 调 外 机 的 换 热 方 程 及 和流 体 流动方 程，利 用 建 立 多 物 理 场 流 体固体 传 热 模 型，仿真 出 高 温 区 域，为控制 外 机 温 度 及 监 测 物 理 参数 研究 提 供 参考。空 调 外 机 物 理 模 型 建 立 及 模 拟 方 法 空调外 机 物 理 模型 以 真 实的 某 机 房 空 调 外 机物 理 模 型 为 例 子，建 立空 调 外 机 的 温 度 及 流 场模 型。为 了 便 于 计 算简 化 实 验 模
8、型，假 设 空 调 外 机机器 壳 导 热 均 匀，并 忽 略 空 调 外 机 小 部 件发 热 源 的 影响，由 于 翅 片 管 上 面 翅 面 薄，对其进 行 简 化 便 于 模 型 计 算，模 型 如图 和 图 所示。图 真 实 空 调 外 机 外 壳 图 简 化 一 侧 三 维 模 型 温 度 是 空 调 外 机 热 效 应 的 宏 观 表 现 形 式，而空 调 外 机 换 热 器 是 有 稳 定 内 热 源 的 换 热 流 体。温 度 场的 数 学 模 型 与 材 料 的 参数 密 切相 关，如 材 料 的 热 传导 系 数、辐 射 换 热 系 数。上 述 的 物 理 参数 对 于
9、空 调 的 热 源 有 影响，同 时 环境的 温 度 随着 时间 而 变 化，不 同 位 置 空气 温 度 存 在 差 值，为 了 更好 地 建 立 温 度场 数 学 模 型，需要 假 设 上 述 参数 不 变。空调外 机 内部导热微 分 方 程 对 于 空 调 外 机 内 部换 热 器 热 量 交 换，可以 用 三 维 热 传导 方 程 描 述 为（）（）（）（）为 空气 的 密 度；为 空气 比 热 值；为 空气 的 温 度；为 时间；为 壁 面 导 热 系 数；为 均 匀 内 热 源 发 热 率；、为 沿 着 空 间 的 个 方向；为 内 热 源 的 温 度。空气升 温 所 需的 热 量
10、 应与 换 热 器 冷 却 液 释 放 的 热 量 相 等，但 是 热 量 在 传 递 过程中，把 一 部 分 热 源 辅 热 给 空 调 的 外 壳，同 时由 于 空 调 外 壳 各 部 分能 量 传 递 效率不 同，造 成 温 度分 布 不 均，存 在 温 差。空调外壳外 的 风扇 流 体 域 空 调 外 机 同 时处 于 空气 的 流 场 中，空 调 外 机整 体 处 于三 维 空气 中，空气 流动与 风 扇 有关，假 设 空 气 不 可 压 缩、稳 态，由 于 风 机 是 转 速 较高 湍 流 的模 型，则 其 风 扇 流 体 域 的 控制方 程 为：（）连 续 性方 程 为（）能 量
11、 方 程 为（）（）动 量 方 程 为：（）（）（）（）（）（）在 模 型中，由 于 空气 流动 带 有 粘 性，所 以 粘 性 模 型，对 空气 进 行 假 设，密 度 为 常 量，需 要 考虑 重 力 影响。忽 略 密 度 变化，空气 的 热 物 理特 性、（）；空气 的 密 度；为 气 体 的 运动 黏 度 系 数；、分 别 为 沿 方向、方向 及 方向 的速度；为 流动 气 体 的 压 力；为 重 力 加速度，取，方 向 沿 着 轴 负 方向；为 空气 此 时 此 刻 的 温 度。空 调 外 机 模 型 采 用 温 度、辐 射 边 界 条 件。恒 定 温 度 边 界 条 件 为（）恒
12、定值（）空 调 外 机 散 热 管 与 空气 在 对 流 换 热 及 辐 射 的 条 件 为（）（）（）空 调 外 壳 与 热 空气 在 对 流 换 热 和 辐 射 换 热 的 边 界 条 件 为（）（）（）、分 别 为 空 调 外 机 内 散 热 管 导 热 率 及 空 调 外 壳 的导 热 率；、分 别 为 空 调 外 机 散 热 器 外 壁 与 空气 之 间 的 发 射 率、空 调 外 壳 内 壁 与 空 调 内 空 气 之 间 的 发 射 率；、分 别 为 空 调 外 机 散 热 器 件 与 外 机 内 部 空气 的对 流 换 热 数、空 调 外 壳 内 表 面 与 空气 间 的对 流
13、 换 热 系 数；、和 分 别 为 空 调 外 机 内 部 冷 却 液 散 热 器 的 平 均 温 度、空 调 外 壳 进 风 口 的 温 度、空 调 外 壳 内 壁 的 平 均 温 度 以 及 环境的 温 度。空 调 外 壳 温 度场分 布 计 算 是 热 源 较 为 分 散，一 部 分 来 自 于 外 界 环境，另 一 方 面 来 自 于 内 部 环境，热 量 传 递 较 为 复 杂。由 于 空 调 外 壳 一 般 采 用自 然 冷 却 模 式，而 冷 却 液 散 热 器 需要进 行 强 制 对 流，空 调 散 热 器工 作时 候 向 外 吹 热 风，把 冷 却 液 的 热 量带 走，空气
14、 热 风把 部 分 热 量 传 递 给 空 调 外 壳，同 时 空 调 外 机 风 扇 内 部 长 时间 的 工 作 也会 积 累 热 量，造 成 风 扇 温 度 过 高，并 且 由 于 外 壳 与 空气 接 触，需要 考虑 外 壳 表 面 的 散 热 系 数。由 流 体 动力学 可 知，由 于 翅 片 管 增减 散 热 面 积，但 增加 散 热 管 外 壁 与 空气 的 粘 滞 力，阻 碍 气 体 的 流动，同 时 需要 考虑 湍 流现 象。由 于 风 机 的 作 用 外 壳 与 空气 存 在 粘 性，本 模 型 在 空气 和 外 壳 交 界 面 采 用 无 滑移 边 界，空 调 外 机 内
15、 壁 面 与 空气 的对 流 换 热 量大 小 取决于 风 扇 的 转 速。进 口 空气 流 速 较 慢，但 出 口 在 风 扇 的 作 用 下，流 速 明 显 加快。此 时，忽 略 空 调 外 壁 与 空气 间 进 行 能 量 交 换，这 是由 于 外 界 空气 流 场 方向 不 确 定，换 热 面 也 不 唯 一。空 调 外 机 温 度 分 析 实 际 空 调 外 机 尺寸 为，空 调 外 机 两 侧 对 称，由 于 实 体 模 型 较 大，计 算 机 仿真 时 间较 长，所 以 进 行 模 型 简 化，对一 侧 的 空 调 外 机 进 行 仿真，仿真 模 型 实 际 尺寸 为，进 行 同
16、 比例 的 缩 小，仿真尺寸 为，流 体 介 质 为 空气 和 水，水 用 来 模 拟 冷 却 液，管 内 流为 湍 流。勾 选 能 量 方 程，选 用（）湍 流 模 型，由 于 气 体 运动 受 重 力 影响，计 算 温 度 条 件 下，管 道 设 置 为 无 滑移条 件。由 于 真 实模 型 比较 复 杂，为 便 于 计 算，对 图 进 行 简 化，如图 所示。图 仿真 模 型 苏 阳 等：空调外 机的 温度 场 模拟 机电一体化 对模 型 进 行 网 格 划 分，网 格 质 量决定 仿真 结 果，网 格 数量 太 多 会 浪费 电 脑 资源，太 少 会 使 得 计 算结果不 精 确。本
17、模 型 经 过最 终 优 化，网 格 数量 为 个 单 元，如图 所示。图 网 格 划 分 由 于 空 调 外 机 内 部换 热 复 杂，简 化 模 型后，初 设高 温液 体 温 度 为，空气 温 度 为，模 拟 空气 与 高 温液 体 进 行 换 热 的 过程。由 于 空 调 外 机 内 部换 热 复 杂，开 始 是 非 稳 态 状 态，最 终 换 热 达 到 稳 态。为 观 察 其 温 度 变化过程，选取 处 和 处 两 截 面 不 同 时刻 温 度 云 图，从 而 分析 外 机 内 部换 热 过程中 温 度的 变化，进 行 温 度 流 场的分析。空 调 外 机 两 截 面 初 始 时刻、
18、中 间时刻 和平 衡 时 刻 温 度 云 图如图 图 所示。图 初 始 时刻 温 度 云 图 图 中 间时刻 温 度 云 图 由图、图 和 图 可 知，截 面 温 度场 是 动 态变 化 的，初 始 管 内 液 体 温 度 较高，而空气 温 度 较 低，随 着 时间 的 推 移，空气 被 管 内 的 高 温液 体 释 放 的能 量 加 热，空气 温 度 升 高，而 高 温液 体 温 度 逐 渐 降 低，其 中 从 右 侧 到 左 侧 高 温液 体 流动 时，热 量 传 递 具有 滞 后 性，呈 现 中 间 区 域 空气 温 度 较高、两 侧 较 低 的 状 图 平 衡 时刻 温 度 云 图 态
19、。系 统 让 高 温液 体 和 空气 处 于 一 个 动 态 平 衡 过 程，不 断 进 行 热 量 传 递。图 初 始 时刻 温 度 云 图 图 中 间时刻 温 度 云 图 图 平 衡 时刻 温 度 云 图 由图、图 和 图 可 知，初 始 时刻，管 道 截 面 温 度 较高，气 体 入 口 和 出 口 温 度一致；中 间时刻，入 口 处，离 高 温 区 域 近 的 液 体 由 于 辐 射 和 传导的 作 用，温 度 显 著 上 升，腔 内 离 管 道 近 的 温 度 较高，空气 出 口 温 度 上 升 明 显；平 衡 时刻，气 体 温 度 在 腔 内 均（）匀 分 布，距离 热 源 近 的
20、 温 度 较高，同 时 管 内 温 度 也 有 所 下 降。被 冷 却 对 象 为 高 温液 体，监 测 其 平 均 温 度的 变 化，如图 所示。图 高 温液 体 的 平 均 温 度 随 时间 变化曲 线 由图 可 知，开 始 时刻由 于 空气 与 高 温液 体 温 差 较 大，换 热 速率 较 快，随着 空气 温 度 上 升，温 差 降 低，空气 携 带 高 温液 体 能 量 能 力 降 低，最 终高 温液 体 温 度 应 维 持 恒 定值，其 温 度 波 动 不 大。维 持 在 和 之 间。图 的 高 温液 体 温 度 变化 结果 也 和 图、图 及图 冷 却 液 流 场 温 度分 布
21、变 化过程 相 吻 合，符 合 实 际 降 温 过程。出 口 空气 的 平 均 温 度 随 时间 变化曲 线如图 所示。图 出 口 空气 的 平 均 温 度 随 时间 变化曲 线 空气 作 为 换 热 的 介 质，由 于 周 围 环境 可以提 供 源源 不 断 的 空气，入 口 空气 为 恒 定值，出 口 温 度 则 从仿真开 始 时刻 上 升 至 平 衡 时刻 的，出 口 温 度 在 和 之 间 波 动。根据 模 拟 的结果，空 调 外 机 内 部 高 温 区 周 围 的 流 体 温 度 高 于 其他 区 域，同 时发 现 风 扇 区 域 的 温 度 较高。造 成 该 现 象 的 原 因有：
22、内 部 高 温 流 体 温 度 与 空 调 内 部 降 温 的有关，而 风 扇 不 但 自 身发 热，还 与 空气 进 行 热 交 换。结束语 本 文建 立 了 空 调 外 机 模 型，对其进 行 简 化，建 立 温 度场的 数 学 模 型，根据 实 际 情况 对模 型 边 界 设 定 一 些 约束条 件，利 用 软 件 对 空 调 外 机 换 热 器 空气 的能 量 传 递 与 热 交 换 进 行 模 拟，从 而 得到 外 机 内 部 截 面 温 度分 布 云 图，同 时计 算得到 空气 流 体 和 高 温液 体 随 时时间 变化 的 温 度 曲 线，在 热 平 衡 云 图 中，风 扇 及高
23、 温 热 源 区 域 处 温 度 较 高，这 为 实 际 空 调 外 机 高 温 区 域 降 温 及 其 监 测 提 供 理 论 支 撑。参考 文献：李天 正，周 伟 各 类 场 所 空 调 系 统分 类 及 应用 建 议 中 国 感 染 控制 杂 志，（）：李国 华，吴立 新，吴 淼，等 红 外 热 成 像 技术 及 其 应用 的 研究 进展 红 外 与 激光 工 程，（）：仲惟 燕，高 峰 空 调 室外 机 轴 流 风 扇 全 流 场 数值 模 拟 流 体 机 械，（）：涂 运 冲，谢 军 龙，刘 鑫，等 空 调 外 机 旋 转 叶 片 流 固 耦 合 应用 工 程 热 物 理 学 报，（
24、）：刘 权 熠 基 于 的 高 层 建 筑 空 调 外 机 热 环境优 化 研 究 建 筑 热 能 通 风 空 调，（）：，徐 俊，穆 正 勇，殷 子文，等 基 于 的 某 高 层 建 筑 室 内 自 然 通 风 的 数值 模 拟 黑 龙 江 科技 大 学学 报，（）：贾 敬 芝 上 海 科技 馆 巨 幕 影 院 气 流 组 织 优 化 设计 制 冷 与 空 调，（）：江 帆，黄 鹏 高 级 应用与 实 例 分析 北 京：清 华 大 学 出 版 社，安 德 森 计 算 流 体 力学 入 门 姚 朝 晕，周 强，译 北 京：清 华 大 学 出 版 社，王 福 军 计 算 流 体 力学 分析：软
25、原 理 与应用 北 京：清 华 大 学 出 版 社，韩 馨 仪，赵 松松，刘 斌，等 分 体 式 空 调 室 内 气 流 组 织 仿真 优 化 制 冷 与 空 调，（）：王 凤 华，刘 衍香 基 于 软 件 下 办 公 建 筑 室 内 通 风 分析 环境 影响 评 价，（）：张 震，刘敏，颜 鲁 华，等 空 调 室外 机 送 风 能 力 提 升 和性 能优 化 的 研究 制 冷 与 空 调，（）：戴 绍 碧 空 调 翅 片 管 换 热 器研究 进展 中 国西 部 科 技，（）：，赵 中 闯，岳 宝，王 文 鹏，等 基 于 的 波纹 翅 片 管 换 热 器 优 化 研究 年 中 国 家 用 电 器技术 大 会 论 文 集 北 京：中 国 轻 工业 出 版 社，：
