采用管排自然对流换热的照明实验室传热与流场的研究

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3.0 陈辉 2025-01-09 15 4 12.67MB 80 页 15积分
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摘 要
我国资源高消耗、浪费大、环境污染严重等问题依然存在，因而积极开发节
能、环保型产品是国内企业、高校等的研究重点。而目前，我国电力紧缺，特别
是夏季用电尖峰时节的用电瓶颈问题突出。虽然照明用电相比空调用电，占总发
电量比重相对较小，但据统计，目前我国照明用电量占到总发电量的 13％～15％
左右。本课题关注于电光源和灯具的测试与实验系统的建设，重点在于采用自然
对流换热的方式控制环境温度，开发一套新型完整的灯具实验系统，用于灯具的
耐久性测试，为节能型电光源和灯具的开发提供测试条件。
本课题在 1.0E3≤Ra≤4.0E4 范围内，采用数值模拟的方法研究了自由空间内
单根横掠圆管自然对流换热的情况，获得了其温度场、速度场分布，并在研究范
围内拟合出换热准则关联式，其结果与前人的研究结果较好地吻合。从而采用相
同的研究方法着重分析了两种类型的单侧受限管排自然对流换热情况，获得了流
场分布以及通过不同参数组合的多组数值模拟，拟合出了管排的换热准则关联式。
在对单侧管排自然对流换热数值计算研究的理论基础上，本课题将受限管排
应用于实际工程应用中，完成了新型的灯具耐久性实验室的搭建。通过三维数值
模拟软件 Airpak 以及实验相结合的方法，本文对灯具耐久性实验室的环境模拟室
内温度场、速度场进行了数值计算与实测分析和对比，对数值计算模型进行了验
证。结果表明，管排换热对室内温、速度场的均匀性的控制完全能够满足国家标
准《灯具一般安全要求与试验》（GB7000.1-2002）中对灯具耐久性实验环境的规
定要求。
关键词：自然对流 管排 数值计算 灯具耐久性实验
ABSTRACT
Energy using efficiency, saving and natural environment protection is the main
problem of our nation.So our enterprise and university are all dedicating in designing of
energy saving and environment friendly productions. And now, as well know, electricity
is very short of in our country, especially in summer. Although, looking from the all
electricity enenrgy production,it using in lighting takes up no more then using in air
conditioning, it also holds a per centum of 13 to 15 according to related statistics.This
paper works at testing system construction for lamp, stressing on designing of a new
type lamp lab meeting the need of endurance testing.And the key point is that air natural
convection is introduced to this testing system.
This paper has researched air natural convection around single horizontal tube in
open space using numerical simulation method when the Ra value is in the range of
1.0E3 to 4.0E4, obtained its temperature and velocity distribution.And heat exchange
related formula using to calculate the Nusselt number is presented basing on mulit-datas,
and the calculation result is very perfect comparing to existed formulas summed up by
forerunners. And then, basing on the same numerical simulation method, a series of
simulation calculation has been carried out with two types of one-side limited tube
arrays, also its heat exchange related formula is presented respectively through hundreds
of results getting from different parameter combination.
With the academic researching of one-side limited tube arrays, they have been used
in an actual engineering application, a new type of lamp endurance testing lab have
been completed.Making use of a 3D software, Airpak, the temperature and velocity
distribution is predicted in the testing room with different normal situations.And the
followed experiment results validated the simulation calculating model.The result
gained from actual testing and simulation with the same setting is representing very
similar distribution. And both of them satisfy the prescribe of thermal environment
requests for lamp endurance test in National Standard GB7000.1-2002, General Safety
Requirements and Tests for Luminaries.
Key Words: natural convection, tube arrays, numerical simulation,
lamp endurance testing lab
1
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论................................................................................................... 1
§1.1 课题提出的背景及意义.......................................................................1
§1.2 国内外发展现状...................................................................................2
§1.3 CFD 技术在室内热环境研究中的应用..............................................2
§1.4 本文主要研究内容...............................................................................3
第 二 章 数值模拟理论基础............................................................................. 5
§2.1 流动基本方程.......................................................................................5
§2.1.1 二维坐标系......................................................................................5
§2.1.2 三维坐标系......................................................................................6
§2.2 湍流模型...............................................................................................7
§2.2.1 时均模型..........................................................................................8
§2.2.2 时均模型下的控制方程..................................................................9
§2.2.3 湍流粘性系数法............................................................................10
§2.2.4 室内零方程模型............................................................................11
§2.2.5 标准 k
－ε
两方程模型................................................................. 11
§2.3 CFD 的数值解法................................................................................12
§2.4 布西涅斯克假设（Boussinesq）...................................................... 12
第 三 章 横掠圆管自然对流换热的数值研究............................................... 15
§3.1 Fluent 软件介绍 ................................................................................. 15
§3.2 计算几何模型及网格划分.................................................................15
§3.3 数值研究方法.....................................................................................16
§3.4 数值计算结果与分析.........................................................................17
§3.4.1 温度与速度分布............................................................................17
§3.4.2 平均换热 Nu 数的比较 .................................................................18
§3.5 本章结论.............................................................................................21
第 四 章 单侧受限管排自然对流的数值研究............................................... 23
§4.1 计算几何模型及网格划分.................................................................23
§4.2 数值研究方法.....................................................................................24
§4.3 顶端受限双层管排数值计算结果与分析.........................................24
§4.4 单侧面受限单列管排数值计算结果与分析.....................................30
2
§4.5 本章小结.............................................................................................35
第 五 章 管排自然对流换热工程应用的数值模拟研究............................... 37
§5.1 灯具耐久性实验室初步设计.............................................................37
§5.1.1 耐久性实验室设计要求................................................................37
§5.1.2 环境模拟室及管排设计................................................................37
§5.1.3 管排换热量校核............................................................................39
§5.2 Airpak 数值模拟软件介绍 ................................................................ 40
§5.3 数值模拟设置.....................................................................................41
§5.3.1 灯具发光发热简化模型................................................................41
§5.3.2 网格划分........................................................................................44
§5.3.3 参数设置........................................................................................45
§5.4 数值模拟结果及分析.........................................................................46
§5.4.1 模拟计算模型的比较....................................................................46
§5.4.2 环境模拟室内温度场、速度场分析............................................48
§5.5 本章小结.............................................................................................49
第 六 章 灯具耐久性实验室内流场的实验研究........................................... 51
§6.1 实验室介绍.........................................................................................51
§6.1.1 实验室概况....................................................................................51
§6.1.2 环境模拟室内管排布置................................................................52
§6.1.3 冷冻水系统....................................................................................52
§6.1.4 冷源................................................................................................53
§6.1.5 电气控制系统................................................................................53
§6.1.6 实验室辅助设备............................................................................53
§6.1.7 环境模拟室的温度控制策略........................................................54
§6.1.8 冷冻水箱水温控制策略................................................................55
§6.2 数据测量系统.....................................................................................55
§6.2.1 空气温度测量装置........................................................................55
§6.2.2 空气流速测量装置........................................................................55
§6.2.3 其它测量装置................................................................................56
§6.2.4 数据采集系统................................................................................56
§6.3 环境模拟室漏热量实验.....................................................................58
§6.4 环境模拟室内温度场及速度场的测试.............................................60
§6.4.1 测点及实验用灯具布置................................................................60
3
§6.4.2 不同控制策略下温度场分析........................................................61
§6.4.3 标准控制温度下水平温度场分析................................................62
§6.4.4 不同控制温度下温度场分析........................................................63
§6.4.5 不同灯具位置下温度场分析........................................................64
§6.4.6 最不利实验条件下温度场分析....................................................65
§6.4.7 标准控制温度下速度场分析........................................................66
§6.5 实验结果与数值模拟结果的对比.....................................................66
§6.5.1 环境模拟室内温度场实测与数值计算的对比............................66
§6.5.2 环境模拟室内速度场实测与数值计算的对比............................68
§6.6 本章小结.............................................................................................69
第 七 章 小结与讨论....................................................................................... 71
§7.1 主要工作和结论.................................................................................71
§7.2 建议与今后的研究方向.....................................................................71
主要符号表............................................................................................ 73
参考文献................................................................................................ 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.................... 79
致谢 ........................................................................................................ 81
第 一 章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 课题提出的背景及意义
从社会角度看，我国目前资源消耗高、浪费大、环境污染严重等问题依然存
在，随着经济的快速增长和人口的不断增加，淡水、土地、能源、矿产等资源不
足的矛盾更加突出，环境压力日益增大，因而积极开发节能、环保型产品是国内
企业、高校以及个人的研究重点。
照明用电，包括室外照明和室内照明用电，是人民生活中不可缺少的能源。
而目前，我国电力紧缺，特别是夏季用电尖峰时节的用电瓶颈问题突出。虽然照
明用电相比空调用电，占总发电量比重相对较小，但据统计，目前我国照明用电
量占到总发电量的 13％～15％左右。《中国统计年鉴 2006》数据显示，2005 年我
国总发电量为 25002.6 亿度，则照明用电约为 3250.3 亿度～3750.4 亿度[1]。近两年
随着城市发展加快，目前城市照明(指景观照明和功能照明的统称),年用电量约占全
国总发电量的 4％～5％。
虽然照明耗电量如此之大，但目前我国照明电器市场上，传统的高耗能产品
仍然占据较大的市场份额。资料显示，若以一只飞利浦节能产品替代同样亮度的
一只飞利浦普通白炽灯，可以节电约 80％，如果节能灯为 11 瓦，被取代亮度相近
的白炽灯为 60 瓦，以全国推广使用 12 亿只，每只节能灯每天工作 4个小时计算，
每年节省的电量相当于三峡大坝全部发电机组全年的发电量。
从以上数据显示，照明节能意义重大。而且我国政府在照明节能上一直都很
重视，1996 年10 月，我国启动了“中国绿色照明工程”；新颁布实施的“建筑照
明设计标准”GB50034—2004 增加了照明控制条款,强调各类场所照明节能控制；
2005 年7月开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005 要求全年的总
能耗(采暖,通风,空气调节和照明)减少 50％。
照明节能主要从三个方面入手：
（1）选用高效节能的电光源和灯具；
（2）选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；
（3）配置适宜，先进照明控制装置。
其中加快节能型电光源和灯具的研究与开发尤为重要。
本课题关注于电光源和灯具的测试与实验系统的建设，重点在于运用本专业
知识，采用自然对流换热的方式控制环境温度，开发一套新型完整的灯具实验系
统，用于灯具的耐久性实验，为节能型电光源和灯具的开发提供测试条件。并且
采用管排自然对流换热的照明实验室传热与流场的研究
2
在实验系统满足国标“灯具一般安全要求与实验”GB7000.1-2002 的前提下，做到
实验环境恒温、低风速，控制实验环境温度波动在±2℃以内，局部风速小于 0.5m/s,
为更为准确的评价新型节能型电光源和灯具性能提供完善的实验环境。
§1.2 国内外发展现状
单圆管自然对流换热国内外进行了比较多的理论、实验以及数值模拟研究。
Morgan[2]，Kuehn and Golstein[3]，Churchill and Chu[4]，Raithby and Hollands[5]等人
经过理论与实验研究分别于 1975、1976 年给出了目前常用的四个换热关联式。
T.Aihara 利用锌粉对无限长圆柱的自然对流进行了可视化实验研究，得到了温度
场、速度场的分布；G.Hesse 对高温圆柱在不同环境压力下的平均对流换热系数进
行了实验研究，并且考察了 McAdams 关联式。在数值计算方面，Kuehn，P.Wang
以及 T.Saitoh 等人做了大量的工作。
国内研究主要集中于加强圆管换热性能，近年来，西安建筑科技大学李安桂
教授对单圆管、管排自然对流换热做了大量研究，并结合数值计算结果分析了温
度场、速度场分布。但是国内外研究主要结果都集中于单圆管、管排自然对流供
热方面，多为加强高温圆管加热周围低温空气传热性能的研究[6]，对于冷管排的研
究极少，尤其是冷管排外侧温度场、速度场的分布情况。
对于单侧受限管排自然对流换热的实验研究比较困难，目前国内外尚没有成
熟的实验拟和计算公式，国内外研究主要集中于管排的强迫对流换热方面。
对于管排自然对流冷却系统，一般多见于冷库系统中。但是，在冷库中的应
用多为单管排，且是制冷剂直接蒸发冷却系统，适合于低温环境的应用，对于灯
具实验室要求控制温度在 35℃～50℃，明显不合适。
目前，国内外灯具耐久性实验一般在温度控制箱内完成，温度控制箱内温度
由常规恒温空气处理机组控制。该空气处理机组一般由表冷式空气冷却装置、以
及循环风机等组成。表冷装置冷冻水由冷水机组供应，冷冻水泵提供循环动力。
气流组织一般采用上送侧回，孔板送风的形式。被测电光源及灯具区域为避免局
部风速过大，一般应设置防风罩[7]。这虽然在一定程度上满足了实验要求，但对灯
具的工作稳定性影响较大，而且空气处理设备部件较多，长时间运行耗电量也大。
本课题采用管排自然对流冷却的方式来控制实验室内环境温度，这在已有的
灯具耐久性实验室中并没有应用过。
§1.3 CFD 技术在室内热环境研究中的应用
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是通过数值计算
第 一 章 绪 论
3
和图形显示，对包含流体流动和传热的相关的物理现象进行分析研究。CFD 的基
本思想是把原来在时间和空间上连续的物理量场，如速度场、压力场、温度场，
用一系列有限个离散点的变量值代替，通过一定的原则和方式建立关于这些离散
点上变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得变量的近似值。
CFD 可以看作在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方
程）控制下，对流动的数值模拟，相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模
拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方
程，得出流体流动的流场在连续区域上的分布，从而近似模拟流体流动情况。CFD
是目前国际上一个极为被关注的研究领域，广泛应用于航空航天、热能动力、机
械、土木水利、环境化工等诸多工程领域，暖通空调行业是 CFD 技术应用的重要
应用分支之一 。 1933 年 ，英国人 Thom 首次用手摇计算机求解了二维粘性流体
偏微分方程，开创 CFD 的先河。CFD 应用对计算计性能的要求很高，起初只能在
航空航天、船舶设计等军事或大型的民用项目中应用。由于计算机技术的迅猛发
展，现在的个人工作站甚至个人计算机的性能达到了以前大型机的能力，CFD 技
术的应用迅速向一般民用领域扩展，在暖通空调工程中的研究和应用也越来越多。
如今，CFD 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析气流流场问题的有力
工具[8, 9]。
近年来各种商业化 CFD 产品成为 CFD 技术发展的又一重要动力，它集流体、
传热、计算机、数学方面的技术于一体，经过众多用户的使用和验证，成为一种
较为可靠辅助工具，特别适合专业人员的使用。一般商用的 CFD 软件具有良好的
用户界面、丰富物理模型，它的使用，可以使专业人员不必关心软件的编程、数
学模型的求解，而把主要精力放在模型的建立和应用分析上[10]。就暖通空调而言，
研究人员可以根据选择并建立最为合适房屋模型、人体、物品模型、风口形式、
边界条件等，通过试验验证，使通用的 CFD 软件成为适合自己研究和使用的重要
工具。
§1.4 本文主要研究内容
本文从研究自由空间单根横掠圆管自然对流冷却周围空气特性入手，建立数
学模型，通过 CFD 软件进行换热量和温度及气流速度分布的数值模拟，进而研究
单侧受限多排横掠圆管自然对流换热冷却周围空气的换热性能以及温度、气流速
度场的分布。
在对单侧受限管排自然对流换热情况理论分析的基础上，本课题将同类型的
管排应用于实际工程中，采用管排自然对流换热的形式，建造了一套新型完整的
采用管排自然对流换热的照明实验室传热与流场的研究.pdf

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：80 页 大小：12.67MB 格式：PDF 时间：2025-01-09

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