Page 77 - 《真空与低温》2025年第4期

492 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

和 ω 的有效扩散系数； G k为湍动能的速度梯度； G ω 热流密度、内部的热容及结合试验数据，取稳态
2
为比耗散率的速度梯度； Y k和 Y ω分别为关于 k 和 ω 时舱漏热率为 30 W/m ，其余隔热部件漏热率为
2
的湍流耗散项； D ω为交叉扩散项。 20 W/m 。
在壁面处均采用无滑移边界条件。保温工况 对于舱体内的低温氮气的物性，采用各物性与
入口速度较小，因此对流换热系数较小，且舱内部 温度的二次函数关系（ a+bT +cT ）进行拟合，具体
2
零部件均已冷却。综合保温工况时冷舱外部的 参数如表 1 [18] 所列。

表 1 低温氮气各物性参数与温度的二次函数关系
Tab. 1 Quadratic Function Relationship between Low-Temperature Nitrogen Physical Properties and Temperature
物性参数 a b c
密度/（kg·m ） 5.970 65 −0.034 78 6.689 29×10 −5
-3
比热容/（J·kg ·K ） 1 094.7 −0.470 143 1.071 43×10 −3
-1
-1
-1
-1
热导率/（W·m ·K ） −3.44×10 −4 1.121 5×10 −4 −8.571 43×10 −8
黏度/（Pa·s） 8.75×10 −9 7.725 7×10 −8 −5.339 29×10 −11

在仿真计算的过程中，当能量项的残差小于 入口处的温度数据，选取入口温度为 153 K，入口
−3
−6
10 ，其他项（如分速度、湍动能等）的残差小于 10 ， 速度为 0.02 m/s 的工况，将此工况下内部 12 个测
即可认为本次迭代达到收敛标准。 点的计算温度与实测值进行对比，12 个测点的实

1.3 模型验证 测温度与计算结果的对比结果如图 5 所示。采用

1.3.1 网格无关性验证 本文所选模型，12 个计算值与实测值的误差最小
为了确定划分好的网格质量，需要先对划分好 为 0.03%，最大为 1.47%，所有测点的计算值与实测
的网格进行网格无关性验证。网格无关性验证结 值的误差均不超过 5%，可以认为模型与计算值吻
果如图 4 所示。在网格数量达到 320 万（第三个数 合良好。
据点的网格数）之后各变量相对偏差在 1% 以内，

因此以 320 万的网格数作为后续仿真计算的网格 180
数量及划分标准。
175

220
测点1温度
测点4温度 计算温度/K 170
210
200 165
温度/K 190 0误差

160 5%误差范围
160 165 170 175 180
180
实测温度/K
170
图 5 模型有效性验证结果
1.0×10 6 2.0×10 6 3.0×10 6 4.0×10 6 Fig. 5 Model validation results
网格数

图 4 网格无关性验证结果 2 神经网络预测模型建立
Fig. 4 Grid independence verification results
对入口速度为 0.01～0.1 m/s，入口温度为 123～
1.3.2 模型有效性验证 193 K 的 80 个不同边界条件下的工况进行仿真计
为确保模型及优化的有效性，对本文中的模型 算，得到 80 组不同的稳态流场及内部 12 个监测点
进行有效性验证。在舱体内部布置温度传感器进 温度值。以光束外侧的 8 个预测点作为预测变量，
行实际测试，温度传感器与图 1、图 2 所示的温度 光束上的 4 个响应点为响应变量，建立神经网络预
测点的空间位置一致。结合试验工况下低温氮气 测模型。