环境适应性试验中试件表面结露行为的CFD预测

D0I:10.13374.issn1001653.2013.02.002 第35卷第2期 北京科技大学学报 Vol.35 No.2 2013年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2013 环境适应性试验中试件表面结露行为的CFD预测 曹宗宝，文磊，金莹四，王铭辉，杨斌，孙冬柏 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京100083 通信作者，E-mail:yin@ustb.edu.cn 摘要针对环境仓内升温增湿过程，采用计算流体动力学(C℉D)方法预测了试件的结露行为并加以试验验证.研究 了被测试样的尺寸、材质对其表面结露行为的影响.测试结果表明，材料/构件的环境适应性试验中润湿时间存在明显 的尺寸效应和材质效应，是该类试验中需要着重考虑的因素.通过优化建模，数值模拟结果与测试数据能够较好地吻合， 表明可以利用数值模拟方法预测工程构件在环境适应性测试中的传热行为与结露规律. 关键词环境适应性：计算流体动力学(CFD):结露：尺寸效应；材质效应 分类号TG174 CFD prediction of dewing behavior on specimens in weathering test CAO Zong-bao,WEN Lei,JIN Ying,WANG Ming-hui,YANG Bin,SUN Dong-bai National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yjin@ustb.edu.cn ABSTRACT Dewing behavior on specimens during warming and wetting processes in a weathering test chamber was predicted by computational fluid dynamics(CFD),and corresponding experiments were performed for validation.The effects of specimen size and materials on the dewing behavior were examined.The results show distinct size effect and material effect on the time of wetness (TOW)in the weathering test of engineering materials/components,indicating that these two effects should be emphatically taken into account in evaluating the safety of materials/components. Through deliberating and optimized modeling,good agreement between numerical simulation results and test data was achieved,which demonstrates that numerical simulation can be conducted to predict the heat transfer behavior and water condensation tendency on engineering components in weathering test. KEY WORDS weathering test;computational fluid dynamics(CFD);dewing;size effect;material effect 工程结构材料的失效往往会酿成恶性事故，造 复杂载荷条件模拟测试，“自然大气环境大型结构 成巨大的经济损失与人员伤亡.材料最重要、最常 材料试验装置”是该项目的重要建设内容之一，利 见的失效形式是断裂、磨损和腐蚀，其中腐蚀引起用该装置，可通过开展缩比及全尺寸结构材料的大 人们特别的关注.工程材料多置于大气环境中，相 气环境适应性测试，明确大尺寸构件与常规小尺寸 比其他类型环境下的腐蚀，大气腐蚀更加普遍，因 标准试样间的差异与联系，弥补单纯利用标准试样 大气腐蚀而损失的金属占总腐蚀量的一半以上②. 的数据来预测大型构件服役行为的不足与偏差.但 为了进行材料腐蚀寿命预测与失效分析，国内是，进行大尺寸试样测试时，试验箱内环境均匀性 外针对影响大气腐蚀的因素设计了大量的环境适应 难以控制，试样附近环境不可知性高，为避免大型 性试验，但这些试验基本停留在常规的小尺寸试样 构件环境适应性试验的盲目性、降低试验风险，在 和单一（简单）环境条件3-创.2007年2月，国家发试验设计阶段就应对试验环境及其对被测试件的影 改委批复建设“重大工程材料服役安全研究评价设 响作出较为准确的预测. 施”，项目旨在开展大尺寸构件试样在复杂环境和 交变湿热试验是一种常见的环境适应性测试 收稿日期：201208-17 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-10-0224):中央高校基本科研业务费专项(FRF-TP-10-005B):“重大 工程材料服役安全研究评价设施”预研项目(YYXM-1412-0001)

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2013．02．002

.208 北京科技大学学报 第35卷 方法，Lyon等T提出在加速试验上用干湿交替的方 位置为(0,300,260)：试验时，各试样均置于距腔 法比用盐雾试验相关性更好，把湿度和结露作为研 底220mm的水平支架中心处；支架为稀疏的不锈 究的重点能使加速试验的结果更接近自然暴露的试 钢网，对箱内气流场影响很小，建模时忽略该结构 验结果.金属的大气腐蚀起始于其表面的结露，结 对传热产生的影响. 露形成的水膜中如溶解了盐类，便成为导电性能良 1.2数学模型 好的电解质溶液，大气腐蚀就发生在这薄层水膜下， 潮湿空气由侧壁进入腔内，与箱内试件进行热 即表面结露是金属大气腐蚀的重要特征例.同时，结 量交换后，再通过后壁通孔流出，属于三维空间湍 露也是影响表面润湿时间的主要因素、金属表面吸 流方式，湍流模型采用工程上应用最广泛的标准k 附水汽形成电解液膜，并能导致金属大气腐蚀的时 e模型(k为湍动能，e为湍动能耗散率).在近壁 间叫润湿时间9.润湿时间是ISO922310环境因素 区域，雷诺数较低，分子黏性影响较大，采用标准 法评估大气腐蚀性三大指标之一，金属大气腐蚀的 壁面函数法进行处理)，腔内气体最大流速小于 年腐蚀率是湿润时间的函数9,1刂.故准确地预测工 5ms1,马赫数远小于0.3，可视为不可压缩流动， 程构件的结露行为对判断其腐蚀程度、防止失效的 采用压力基求解器进行求解1，腔内气体由空气和 发生具有重要参考价值，同时对预防其他水敏感性 水蒸气组成，需选用组分输送与化学反应模型，试 危害也有积极作用. 验试样比较洁净光滑，大气为北京室内纯净空气， 尽管结露过程十分普遍和常见，其对于腐蚀的 试验者曾将各试样保温至30、40、50和60℃，然 作用也早被人们所注意，但较少有通过直接研究结 后将试样置于对应温度相对湿度为95%环境中无结 露预防材料腐蚀的报道2-13到.本文以材料表面的 露现象.相对湿度值为100%时，空气中水分处于气 结露行为为着眼点，试验设计参考相关湿热试验标 液两相平衡，考虑到箱内温湿度变化规律（见边界 准“GBT2423.4200814,并基于商用流体仿真软 条件)，可将试样表面相对湿度达到100%作为结露 件FLUENT,通过数学建模，对温度、湿度及风速 判据.综合考虑以上因素，控制方程的通用形式见 耦合作用下试件表面的温湿度变化规律进行模拟预 下式 测，研究材质、尺寸变化对试样结露行为的影响，并 利用BINDER温湿箱开展相关验证试验 ()+div(pou)=div(r.grad)+5.(1) 1模型处理 式中：中为通用变量，可代表速度、温度等变量：p 为密度：u为流速矢量：t为时间：厂为广义扩散 1.1物理模型 系数；S为广义源项.式中各项依次为瞬态项、对 本文以德国BINDER温湿箱KBF-115为原型， 流项、扩散项和源项.对于连续性方程、动量方程、 以其内腔作为计算域，经过合理简化处理的物理模 能量方程、湍动能方程、湍流耗散率方程和组分方 型如图1所示.内腔体尺寸为400mm×600mm×480 程，中、Γ和S具有特定的形式.表1给出了三个符 mm;两侧壁共有158个均匀分布气流入口，现在用 号与各特定方程的对应关系15,17-18)， 等面积法将其简化为24个50mm×30mm均匀分 布方形入孔；箱体后壁有一圆形孔板结构区域，工 表1控制方程各参量值 作时箱内气体通过该区域流出，现采用等面积法将 Table 1 Parameters in the governing cquations 该结构简化为一直径120mm的圆形通孔，其圆心 方程 连续性方程 1 0 0 x动量方程u -(op/0x)+Sx 少动量方程 u -(ap/iy）+Sy 之-动量方程 -(ap/az）+S: 能量方程 X/c ST 0 湍动能方程k4十/ck -pE十4LpG 0 湍流耗散率方程Eu+:/a:一pC2(e2/)+4C(e/k)PG 组分方程 Cs Dsp 0 表1中，u、:和w分别为流速在x、y和z坐 标方向的分量；T为热力学温度；c为组分s的体 图1计算域内物理模型 积分数：4为流体动力学黏度；入为导热系数：c为 Fig.1 Physical model of the computational field 比热容：：是p、C4、k和e的函数，具体形式如式

第2期 曹宗宝等：环境适应性试验中试件表面结露行为的CFD预测 ·209· (2)所示；C4、ok、ae、C1和C2为常数；D。为组分 均匀升至60℃后保持不变，相对湿度在180s内由 s扩散系数；p为密度：p为流体压强：S、S,和S: 30%快速升至60%后稳定.温湿度随时间变化规律 为流体源；Sr为热源：S。为系统内部单位时间单 仿真时通过用户自定义函数(UDF)编程输入边界 位体积通过化学反应产生的该组分的质量；P是 条件.出风口边界类型为PRESSURE.OUTLET,出 速度与坐标的函数，具体形式参见式(3) 口压力为101.325kPa,温度为28℃.腔壁边界类型 k2 为WALL,由于腔壁外为孔泡材料保温层，它的密 (2) 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， 、00z 试样表面边界类型为WALL,该处换热由热传导、 2 对流换热耦合作用.箱体结构左右对称，为减小计 0u, ）+(+, (3) 算量只对箱体左半部分建模，需使用SYMMETRY 边界条件 1.3边界条件、初始条件及试样参数 1.3.2初始条件 1.3.1边界条件 试验前先将试样置于BINDER箱中恒温恒湿 模拟预测用各边界条件均为空载时由 (30℃、相对湿度30%)8h以上，以保证试样各 BINDER箱实测值经拟合所得，试验中负载尺寸 处温度均达到30℃.故初始条件为：试样温度30 相对于腔体较小，对入风口处风速、温湿度变化规 ℃，空气温度30℃，水蒸气质量分数为0.007875（即 律影响不大，故可采用空载所测边界条件来进行试 30℃、相对湿度30%时空气含湿量). 件表面结露行为的模拟预测.箱体侧壁入风口边界 1.3.3试样参数 类型为VELOCITY INLET,空气垂直侧壁进入腔 试验研究了尺寸、材质变化对试样表面结露行 内，平均风速1ms1,风温在前1579s内由30℃ 为的影响，共有五个试样，具体参数如表2 表2试样参数 Table 2 Parameters of the specimens 试样尺寸/(mm×mm×mm) 材质 密度/kg·m3)比热容/小kg1·K-) 导热系数/(W,m-1.K-1) 150×100×15 6061铝合金 2700 896 180 150×100×25 6061铝合金 2700 896 180 150×100×35 6061铝合金 2700 896 180 150×100×25 304不锈钢 7930 502 13.4 150×100×25 松木 450 1330 0.29 表2中，各试样的物性参数在仿真计算时需输 化，并实测了对应点的变化情况如图3 入，来获知这些参数改变对试样附近温湿度变化规 由图2知，空载时环境仓内各处温湿度均匀度 律的影响，并同时进行相应物理试验验证 很高，15min与25min时箱内最大温差均不高于 0.24℃，最大相对湿度差均不超过0.11%，箱体中 2模拟与验证试验 心点温湿度变化规律可以代替其他部分情况.图3 针对环境仓内30℃、相对湿度30%至60℃、 是监测点温湿度随时间变化情况，温度模拟值与实 相对湿度60%的升温增湿过程，首先进行了空载测 测结果很好吻合，由于环境仓内相对湿度易出现随 试，以获得试验仓入口处温湿度详细变化规律（见 前文边界条件)，在此基础上进行了箱内温湿度变化 机波动，实测值围绕模拟曲线有小幅度震荡，但湿 模拟.同时，对仿真和物理试验同时监测仓内一点 度整体变化规律与模拟曲线很好吻合 温湿度变化规律进行相互对照. 由图2与图3知，在约180s到1580s时间段箱 BINDER箱强制对流换热方式、均匀分布的入 内相对湿度略大于60%，与实测结果稍有出入，但 风口使空载时腔内各处空气温湿度很均匀，15min 最大偏差出现在180s时约2%，且随着接近1580 与25min时腔内温湿度云图如图2，故可由一点的s偏差逐渐变小，研究用试样结露时间在1600s附 温湿度变化情况获知其在整个腔内分布及动态变化 近，故采用UDP编程输入的水蒸气含量虽略有偏 规律，模拟时监测了箱体中心处温湿度随时间的变 差，但对结露时间预测的影响可以忽略

·210 北京科技大学学报 第35卷 温度/℃ 相对湿度/% 17.20 61.33 61.32 61.31 61.31 2 .30 47 8 6666 47 61 07 6124 46. 160 46.96 (b) 温度/℃ 相对湿度/% 58.60 60.26 58.58 60.26 58.56 0.24 60 闲 60.21 60.19 58. 58.38 60.17 Y 58.37 60.16 (c) (d) 图2计算域内温湿度云图.(a)l5min时温度场：(b)15min时湿度场；(c)25min时温度场：(d)25min时湿度场 Fig.2 Distributions of temperature and relative humidity in the computational field:(a)temperature distribution after 15 min: (b)relative humidity distribution after 15 min;(c)temperature distribution after 25 min;(d)relative humidity distribution after 25 min 70 70 65 65 0 60 5 0 50 量 45 。-模拟值 一模拟值 90 一实测值 一实测值 35 3 30 30 25 25 0 500 10001500 2000 2500 0 500 10001500 20002500 时间/s 时间/s (a) (b) 图3箱体中心处温湿度变化.(a)温度：(b)相对湿度 Fig.3 Temperature and humidity changes at the chamber center:(a)temperature:(b)relative humidity 2.1尺寸效应 止水敏感性危害 在环境仓的升温增湿过程中，置于其中的试样 本工作就BINDER箱内30℃、相对湿度 温度也随之增加，但试样升温速度比周围空气慢， 30%至60℃、相对湿度60%的升温增湿过程，研 试样附近的空气会产生温度梯度，低温区空气相对 究了试样尺寸变化对其表面结露行为的影响.试样 湿度偏大使试样表面出现结露水可能性加大.当试 材质为6061铝合金，尺寸分别为150mm×100mm 样尺寸增大时，试样附近温度梯度进一步增大，试 ×15mm、150mm×100mm×25mm、150mm× 样表面处空气相对湿度也越大，出现结露的可能性 100mm×35mm.试验前试样先在30℃、相对湿 也就更高，即尺寸效应.在大尺寸试样湿热试验前， 度30%的环境中保持8h以上，然后进入升温增湿 如果能准确预测尺寸变化对温湿度的影响，可以通 试验阶段 过调整其尺寸进行温湿度控制，使其按需积水或防 为验证预测的准确性，需监测试样实际结露情

第2期 曹宗宝等：环境适应性试验中试件表面结露行为的CFD预测 211· 况进行对比.试样的上表面利于露水的积累适合试 同前面尺寸效应的探讨，本文就BINDER箱 验者观察，实测结果也不会因为露水滑落而产生偏 30℃、相对湿度30%至60℃、相对湿度60%的升 差.图4是150mm×100mm×15mm试样在进入 温增湿过程，研究了试样材质变化对其表面结露行 变温变湿阶段后不同时刻上表面相对湿度云图，可 为的影响.试样材质分别为松木、6061铝合金及304 由此确定监测点 不锈钢（试样编号分别为4、5和6），尺寸均为150 由图4知，随时间推移，试样上表面最大相对 mm×100mm×25mm.试验前试样先在30℃、相 湿度出现位置由两侧向中心转移.根据边界条件知 对湿度30%的环境中保持8h以上，然后进入升温 试样大约在25min时相对湿度达到最大，可能的 增湿测试阶段.温湿度的监测点均选取试样上表面 结露时间为20~30min,故可由上表面中心点温湿 中心处.图7是监测点处温湿度随时间变化情况. 度变化预测其结露行为.各试样(150mm×100mm 由图7知，模拟与实测结果较好验证了材质效 ×15mm、150mm×100mm×25mm和150mm 应.木材样始终不结露，6061铝合金样出现较短积 ×100mm×35mm试样编号分别为1、2和3)监测 露期，304不锈钢出现较长积露期.在约25min时 点温湿度随时变化模拟、实测结果如图5所示. 观察各试样上表面发现木材不结露，6061铝合金有 由图5知，不同试样监测点模拟与实测情况很 少量露水，304不锈钢大量积露如图8，模拟、实测 好吻合，可利用模拟来有效预测试样附近温湿度变 及观察很好吻合. 化，从而判断试样表面结露行为.150mm×100mm 在工程建设中，构件结构通常较复杂，是不同 ×15mm试样监测点最大相对湿度始终小于100%， 材质、尺寸及形状组合的复合结构.此时需要综合 无结露出现：150mm×100mm×25mm试样监 考虑尺寸效应、材质效应及服役环境进行构件的合 测点在1500s附近出现相对湿度为100%的小平台， 理设计.在有些情况中，对构件附近温湿度变化要 求更为苛刻，要求其在服役环境中远离露水出现平 表现出短时间的积露行为；150mm×100mm× 35mm试样监测点在1500s附近出现相对湿度为 衡点，或者避免因偶然出现的强烈温湿度波动造成 的结露情况，仍然可以采用相同的方法进行前期预 100%的较大平台，表现出较长时间的积露行为，验 测以对其有效控制 证了尺寸效应.约25min时通过玻璃门发现，15、25 及35mm厚试样分别表现出不结露、少量积露及大 前人曾定性研究表面划痕、积尘和盐玷污对结 量积露现象如图6，验证了预测与测试结果. 露趋势的影响，或在封闭系统中研究试样降温 2.2材质效应 过程的结露行为⑧)，而对多种因素耦合条件下的环 在环境温湿度条件变化时，不同材质的试样由 境动态变化行为的研究尚未深入.本工作中考虑实 于密度、比热容和热导率的不同，试样附近温湿度 际工程构件所处复杂环境，综合考察受变温、变湿、 变化规律也存在差异，表现出不同的结露行为，即 风速及流固耦合传热等多因素影响下的表面结露行 材质效应.与控制尺寸一样，在工程建设或者温湿 为，直接预测与验证了环境变化时构件表面能否结 度敏感性试验前合理选择材质也是控温控湿的有效 露、何时结露以及积露时间，对判断材料是否腐蚀、 措施. 腐蚀时间及腐蚀程度有直接的指导意义.另外，本 相对湿度/% 相对湿度/% (a) (b) 图4进入升温增湿阶段后不同时刻150mm×100mm×15mm试样上表面相对湿度云图.(a)10min;(b)20mim:(c)30min Fig.4 Relative humidity distribution on the top surface of the 150 mm x 100 mm x 15 mm specimen at different time during the warming and wetting process:(a)10 min;(b)20 min;(c)30 min