陈洁等：基于两相流EWF模型的样品表面相变行为及液膜变化的C℉D预测 ·725· 平进行比较校正，以保证测试结果的准确可靠 30℃均匀升至70℃后保持不变，相对湿度保持 80%,温湿度随时间变化规律仿真时通过用户自定 义函数(UDF)编程输入边界条件：出风口边界类型 设为PRESSURE_OUTLET,出口压力为101.325kPa: 腔壁边界类型设为WALL,由于腔壁材料保温性能良 好，它的密度、比热容和导热系数很小，通过保温层 散失的热量可忽略不计，为简化计算将其处理为绝 1一漏斗式露水汇集器：2一收集容器：3一挡风罩：4一电子天平： 热壁面.样品表面边界类型设为WALL,该处换热由 5一电脑 热传导和对流换热耦合作用，但两种模型有微小的 图4露水收集测量装置示意图 区别，使用EWF模型模拟时，必须在指定样品壁面 Fig.4 Sketch of the device used in dew collection and test WALL上选择参与EWF模型，并设初始壁面液膜参 2.2单相流模型与EWF模型对比验证 数为零（表示初始状态没有液膜）.两种模型的初始 仔细观察文献23]中BINDER温湿箱内样品仿 条件相同，升温增湿阶段前，实验箱恒温恒湿时间不 真与实测对比结果，发现样品上结露的模拟温度在某 小于20h,以保证实验仓内各部分温度均为30℃，空 段时间内总比实测温度曲线低.为了更加准确预测和 气的相对湿度为80%，即初始条件为温度303.15K、 合理控制HTP020实验仓内样品附近局域环境的动 水蒸气质量分数0.02102(30℃、80%相对湿度对应 态变化及相变过程，分析了单相流模型出现较大误差 水蒸气含量). 的原因，并量化对比了单相流模型与两相流EW℉模型 HTPO20实验仓内样品六个面测量得到的温湿 的精确性. 度变化如图5所示.由于铝合金体积所占实验仓空间 两种模型的对比验证实验工况如表1所示.两 比例小，样品局部环境比较均匀，加之铝合金导热系数 种模型的入风口、出风口以及腔壁边界条件相同，入 大，样品的六个监测点温湿度变化规律比较接近.因 风口边界类型设为VELOCITY_.INLET,空气垂直侧壁 此，样品温湿度变化的模拟实测对比只以监测点2为 进入腔内，平均风速11m·s,风温在前1200s内由 代表进行说明，如图6所示. a 70 ) 100 60 95 40 5 80 30 人kw 2 2 监测点 监测点 5000 10000150002000025000 5000 10000150002000025000 时向s 时向/ 图5样品表面各监测点实测温湿度随时间变化曲线.()温度：(b)湿度 Fig.5 Change curves of measured temperature (a)and humidity (b)with time at each monitoring point on specimen surfaces 从图6(a)可知，单相流模型的温度模拟曲线同 偏差较大.从图6(b)以及表2可以看出，考虑相变 实测曲线相比，少了一个“凸起”部分，相应的湿度模 过程的EW℉模型的温湿度模拟曲线与实测的温湿 拟曲线与实测曲线相比，模拟的水蒸气凝结时间偏 度曲线在整个实验阶段均比单相流模型吻合得好， 长.在相变过程中，水蒸气变为液态水（图6(a)中虚 模拟的温湿度与实测的温湿度偏差方差分别从单相 线方框标明时间段)会释放大量热，使结露位置附近 流模型的5.664和1.893下降到EWF模型的0.119 温度升高；反之当露水开始蒸发吸收热量时，又会降 和0.509：EWF模型的结露开始时刻和结露停止时 低对应位置的温度.同时，空气中水蒸气质量分数也 刻的相对误差比单相流模型也有显著下降，尤其是 会发生变化，从而导致水蒸气相对湿度发生变化.单 结露停止时刻的相对误差，从单相流模型的0.756 相流模型正是因为没有考虑相变引起的水蒸气质量 减小到EWF模型的0.077.这些说明EW℉模型能够 分数和热量变化，从而造成温湿度模拟与实测结果 更准确地模拟环境适应性实验中样品何时结露及结陈 洁等: 基于两相流 EWF 模型的样品表面相变行为及液膜变化的 CFD 预测 平进行比较校正，以保证测试结果的准确可靠． 1—漏斗式露水汇集器;2—收集容器;3—挡风罩;4—电子天平; 5—电脑 图 4 露水收集测量装置示意图 Fig． 4 Sketch of the device used in dew collection and test 2. 2 单相流模型与 EWF 模型对比验证 仔细观察文献［23］中 BINDER 温湿箱内样品仿 真与实测对比结果，发现样品上结露的模拟温度在某 段时间内总比实测温度曲线低． 为了更加准确预测和 合理控制 HTP--020 实验仓内样品附近局域环境的动 态变化及相变过程，分析了单相流模型出现较大误差 的原因，并量化对比了单相流模型与两相流 EWF 模型 的精确性． 两种模型的对比验证实验工况如表 1 所示． 两 种模型的入风口、出风口以及腔壁边界条件相同，入 风口边界类型设为 VELOCITY_INLET，空气垂直侧壁 进入腔内，平均风速 11 m·s － 1 ，风温在前 1200 s 内由 30 ℃ 均 匀 升 至 70 ℃ 后 保 持 不 变，相 对 湿 度 保 持 80% ，温湿度随时间变化规律仿真时通过用户自定 义函数(UDF) 编程输入边界条件;出风口边界类型 设为 PRESSURE_OUTLET，出口压力为 101. 325 kPa; 腔壁边界类型设为 WALL，由于腔壁材料保温性能良 好，它的密度、比热容和导热系数很小，通过保温层 散失的热量可忽略不计，为简化计算将其处理为绝 热壁面． 样品表面边界类型设为 WALL，该处换热由 热传导和对流换热耦合作用，但两种模型有微小的 区别，使用 EWF 模型模拟时，必须在指定样品壁面 WALL 上选择参与 EWF 模型，并设初始壁面液膜参 数为零(表示初始状态没有液膜) ． 两种模型的初始 条件相同，升温增湿阶段前，实验箱恒温恒湿时间不 小于 20 h，以保证实验仓内各部分温度均为 30 ℃ ，空 气的相对湿度为 80% ，即初始条件为温度 303. 15 K、 水蒸气质量分数 0. 02102 (30 ℃ 、80% 相对湿度对应 水蒸气含量) ． HTP--020 实验仓内样品六个面测量得到的温湿 度变化如图 5 所示． 由于铝合金体积所占实验仓空间 比例小，样品局部环境比较均匀，加之铝合金导热系数 大，样品的六个监测点温湿度变化规律比较接近． 因 此，样品温湿度变化的模拟实测对比只以监测点 2 为 代表进行说明，如图 6 所示． 图 5 样品表面各监测点实测温湿度随时间变化曲线． (a) 温度; (b) 湿度 Fig． 5 Change curves of measured temperature (a) and humidity (b) with time at each monitoring point on specimen surfaces 从图 6( a)可知，单相流模型的温度模拟曲线同 实测曲线相比，少了一个“凸起”部分，相应的湿度模 拟曲线与实测曲线相比，模拟的水蒸气凝结时间偏 长． 在相变过程中，水蒸气变为液态水(图 6( a)中虚 线方框标明时间段)会释放大量热，使结露位置附近 温度升高;反之当露水开始蒸发吸收热量时，又会降 低对应位置的温度． 同时，空气中水蒸气质量分数也 会发生变化，从而导致水蒸气相对湿度发生变化． 单 相流模型正是因为没有考虑相变引起的水蒸气质量 分数和热量变化，从而造成温湿度模拟与实测结果 偏差较大． 从图 6( b) 以及表 2 可以看出，考虑相变 过程的 EWF 模型的温湿度模拟曲线与实测的温湿 度曲线在整个实验阶段均比单相流模型吻合得好， 模拟的温湿度与实测的温湿度偏差方差分别从单相 流模型的 5. 664 和 1. 893 下降到 EWF 模型的 0. 119 和 0. 509;EWF 模型的结露开始时刻和结露停止时 刻的相对误差比单相流模型也有显著下降，尤其是 结露停止 时 刻 的 相 对 误 差，从 单 相 流 模 型 的 0. 756 减小到 EWF 模型的 0. 077． 这些说明 EWF 模型能够 更准确地模拟环境适应性实验中样品何时结露及结 ·725·