Page 76 - 《真空与低温》2025年第4期

冯泽域等：非均匀温度空间中光束内温度预测方法及优化 491

点”，定义上预测点到中轴距离、下预测点到中轴 上下舱交界面区域及冷氮气出入口进行网格加密。
距离、上下预测点平面间距。温度监测点俯视图 划分的网格数为 320 万。
如图 2 所示。

低温氮气 上舱

红外目标模拟器 上预测点 冷氮气出口
上预测点距中轴距离
室 光 下舱
温 束 上下预测点
环 响应点 平面间距
境 内部对流

下预测点距中轴距离

下预测点 氮气出口
红外窗口
红外成像探测装置
冷氮气入口
图 1 舱体及温度测点示意图
Fig. 1 Diagram of the cabin and temperature 图 3 舱体三维模型示意图
measurement points Fig. 3 Diagram of the 3D model of the cabin

上测点到中轴距离 1.2 数学模型建立
在流动过程中忽略黏滞耗散的影响。控制流
体流动和传热过程基本方程如式（1）～（5）所示。

∂v x ∂v y ∂v z
下预测点 + + = 0 （1）
∂x ∂y ∂z
响 ∂p ∂τ xx ∂τ xy ∂τ xz
应 div(ρv x V) = − + + + （2）
点 ∂x ∂x ∂y ∂z
∂p ∂τ xy ∂τ yy ∂τ yz
div(ρv y V) = − + + + （3）
∂y ∂x ∂y ∂z
下测点到 ∂p ∂τ xz ∂τ yz ∂τ zz （4）
中轴距离 div(ρv z V) = − ∂z + ∂x + ∂y + ∂z +ρg
( )
上预测点 λ
div(ρVT) = div gradT （5）
c p
图 2 温度监测点俯视图
式中： τ为各个方向上的剪切力； λ为有效热导率； c p
Fig. 2 Top view of temperature measurement point
为比热容；g 为重力加速度，其方向竖直向下。
建立舱体三维模型如图 3 所示，模型由冷氮气 本文利用 ANSYS 平台下的 Fluent 2022R1 进
入口、上舱、下舱及冷氮气出口构成。其中上舱顶 行稳态仿真计算。取舱体上部直径 2 m 为特征长
面直径为 2 500 mm，下舱底面直径为 650 mm，上下 度，通过计算确定仿真工况的雷诺数为 5×10 ～
3
舱连接处直径为 350 mm。冷氮气入口为顶部凸 5×10 ，因此流动状态为湍流，采用 transition SST-k-ω
4
起部分的外侧面，凸起部分直径为 2 000 mm，高为 模型作为湍流计算模型。
50 mm。冷氮气出口位于下舱中部，由三个管径为 ∂ ∂ ( ∂k )
(ρku i ) = Γ k +G k −Y k （6）
50 mm 的排风管路组成。 ∂x i ∂x j ∂x j
使用 ANSYS Meshing 进行网格划分，由于流 ∂ ∂ ( ∂ω )
(ρωu i ) = Γ ω +G ω −Y ω + D ω （7）
场空间域几何特性较为复杂，因此划分网格时以非 ∂x i ∂x j ∂x j
均匀网格为主。对于温度波动较大且流道狭窄的 式中： k为湍动能；ω 为比耗散率； Γ k和 Γ ω分别为 k