中科百科：高低溫試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化研究

作者：北京中科富祺科技有限公司 技術(shù)研發(fā)中心

摘要：高低溫試驗(yàn)箱作為產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性與可靠性測(cè)試的核心裝備，其整體結(jié)構(gòu)合理性與內(nèi)空氣循環(huán)均勻性直接決定測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。本文以中科富祺系列高低溫試驗(yàn)箱研發(fā)實(shí)踐為基礎(chǔ)，系統(tǒng)闡述試驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)針對(duì)傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)存在的溫度分層、局部氣流死角、熱交換效率低等痛點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)，提出一種“對(duì)稱立體風(fēng)道+變頻動(dòng)力匹配+多級(jí)均流整流"的集成優(yōu)化方案。通過優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)選型、均流設(shè)計(jì)及控制策略，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)溫場(chǎng)均勻性、穩(wěn)定性與溫變效率的協(xié)同提升。經(jīng)性能測(cè)試驗(yàn)證，優(yōu)化后試驗(yàn)箱在-70℃~+180℃工作范圍內(nèi)，空載溫度均勻度≤±0.8℃，溫度波動(dòng)度≤±0.3℃，溫變速率較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提升25%以上，能耗降低15%，可滿足航空航天、新能源、電子等領(lǐng)域嚴(yán)苛的環(huán)境模擬測(cè)試需求。本文研究成果已批量應(yīng)用于中科富祺高低溫試驗(yàn)箱系列產(chǎn)品，為同類設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能升級(jí)提供理論支撐與工程參考。

關(guān)鍵詞：高低溫試驗(yàn)箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；空氣循環(huán)系統(tǒng)；CFD仿真；溫度均勻性；優(yōu)化設(shè)計(jì)；中科富祺

1 引言

在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)背景下，電子元器件、航空航天零部件、新能源電池等產(chǎn)品在研發(fā)、生產(chǎn)及驗(yàn)收階段，均需通過高低溫環(huán)境模擬測(cè)試，驗(yàn)證其在嚴(yán)酷溫度條件下的工作性能與可靠性[1]。高低溫試驗(yàn)箱作為實(shí)現(xiàn)該測(cè)試的核心裝備，其性能指標(biāo)（溫度均勻度、波動(dòng)度、溫變速率）直接影響測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度，而這些指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)高度依賴設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化水平[2]。

北京中科富祺科技有限公司長(zhǎng)期深耕環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備研發(fā)、制造與服務(wù)領(lǐng)域，聚焦用戶對(duì)高精度、高效率測(cè)試設(shè)備的需求。在長(zhǎng)期實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)高低溫試驗(yàn)箱普遍存在兩大核心問題：一是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隔熱保溫、密封性能與氣流組織協(xié)同性不足，導(dǎo)致箱內(nèi)外熱交換干擾大，能耗偏高；二是內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)采用單一風(fēng)道、固定轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，易出現(xiàn)氣流短路、局部渦旋、溫度分層等現(xiàn)象，尤其在大容積、寬溫域測(cè)試場(chǎng)景中，溫場(chǎng)均勻性難以滿足測(cè)試要求[3]。

針對(duì)上述問題，本文結(jié)合熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)理論與CFD仿真技術(shù)，開展高低溫試驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化研究。重點(diǎn)優(yōu)化風(fēng)道布局、動(dòng)力匹配、均流結(jié)構(gòu)及控制策略，通過理論分析、仿真迭代與試驗(yàn)驗(yàn)證，形成一套標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)方案，旨在提升設(shè)備核心性能、降低能耗，為中科富祺系列試驗(yàn)箱的技術(shù)升級(jí)提供支撐，同時(shí)為行業(yè)同類設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

2 高低溫試驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高低溫試驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以“隔熱保溫、密封可靠、氣流順暢、操作便捷"為核心原則，兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與模塊化設(shè)計(jì)需求，便于后期維護(hù)與升級(jí)。整體采用“雙層箱體+核心功能模塊集成"結(jié)構(gòu)，主要由箱體結(jié)構(gòu)、隔熱保溫系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、工作室、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)八大核心部分組成，各部分協(xié)同工作，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行與測(cè)試精度。其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示（示意圖文字說明：1-外層箱體；2-隔熱保溫層；3-內(nèi)層工作室；4-空氣循環(huán)風(fēng)道；5-變頻離心風(fēng)機(jī)；6-熱交換組件；7-均流裝置；8-密封門；9-溫度傳感器；10-控制系統(tǒng)）。

2.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱體采用雙層嵌套結(jié)構(gòu)，外層選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，經(jīng)酸洗磷化、靜電噴塑處理，具備耐腐蝕、抗沖擊、美觀耐用的特點(diǎn)；內(nèi)層工作室選用SUS304不銹鋼板，表面經(jīng)鏡面拋光處理（Ra≤0.8μm），可減少熱輻射吸收差異，避免局部熱積累，同時(shí)便于清潔，防止測(cè)試過程中污染物殘留[4]。

箱體轉(zhuǎn)角采用圓弧過渡設(shè)計(jì)（曲率半徑≥50mm），一方面避免直角結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的氣流滯留，為空氣循環(huán)提供順暢路徑；另一方面增強(qiáng)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少溫度循環(huán)過程中因熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力集中，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。工作室容積根據(jù)測(cè)試需求設(shè)計(jì)為100L~1000L，采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶需求靈活定制，同時(shí)預(yù)留測(cè)試孔、觀察窗等接口，滿足不同測(cè)試場(chǎng)景的擴(kuò)展需求。

2.2 隔熱保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隔熱保溫系統(tǒng)是維持箱內(nèi)穩(wěn)定溫場(chǎng)、降低能耗的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)核心是減少箱內(nèi)外熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射。本文采用“多層復(fù)合隔熱"方案，在內(nèi)外層箱體之間填充高強(qiáng)度聚氨酯發(fā)泡材料（厚度100mm~150mm），其導(dǎo)熱系數(shù)低至0.022 W/(m·K)，可有效阻斷熱傳導(dǎo)[5]；同時(shí)在聚氨酯發(fā)泡層與內(nèi)層工作室之間增設(shè)一層超細(xì)玻璃纖維棉，進(jìn)一步提升隔熱性能，避免低溫工況下箱壁結(jié)露。

觀察窗采用三層中空鋼化玻璃設(shè)計(jì)，中間兩層填充干燥氮?dú)?，防止低溫工況下玻璃結(jié)霜影響觀察，同時(shí)具備良好的隔熱性能；觀察窗周邊采用加熱除霜設(shè)計(jì)，確保在-70℃嚴(yán)酷低溫下仍能清晰觀察工作室內(nèi)部測(cè)試情況。箱體底部、頂部及側(cè)面均采用斷橋鋁結(jié)構(gòu)，切斷金屬導(dǎo)熱路徑，進(jìn)一步減少熱損耗，使箱體表面溫度與環(huán)境溫度差控制在5℃以內(nèi)[6]。

2.3 密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

密封系統(tǒng)的可靠性直接影響箱內(nèi)溫場(chǎng)穩(wěn)定性，若密封不嚴(yán)，外部常溫空氣滲入、內(nèi)部冷熱空氣泄漏，會(huì)導(dǎo)致局部溫度梯度增大，能耗顯著上升。本文采用“雙層密封+多點(diǎn)壓緊"設(shè)計(jì)，密封件選用耐高低溫硅橡膠（工作溫度-80℃~+200℃），邵氏硬度50±5，壓縮變形量≥30%，具備良好的彈性與耐老化性能[7]。

箱門與箱體接觸部位采用雙層嵌套密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)層密封件負(fù)責(zé)阻斷主要?dú)饬鹘粨Q，外層密封件輔助密封，同時(shí)防止密封件老化后出現(xiàn)泄漏；箱門采用多點(diǎn)機(jī)械鎖扣設(shè)計(jì)，通過均勻施壓確保密封件與箱體緊密貼合，將箱內(nèi)氣體泄漏率控制在0.1%以下[8]。此外，測(cè)試孔、線纜入口等部位配置迷宮式密封套件，使用氟橡膠圈隔絕內(nèi)外氣流交換，避免局部冷橋效應(yīng)導(dǎo)致的溫差增大。

2.4 核心功能模塊布局

制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)與空氣循環(huán)系統(tǒng)作為設(shè)備的核心功能模塊，其布局合理性直接影響氣流組織與熱交換效率。制冷系統(tǒng)采用雙級(jí)壓縮制冷方案，選用德國(guó)比澤爾渦旋式壓縮機(jī)，蒸發(fā)器與冷凝器采用銅管鋁翅片結(jié)構(gòu)，布置于箱體背部風(fēng)道內(nèi)，避免占用工作室空間；加熱系統(tǒng)采用翅片式鎳鉻電加熱器，串聯(lián)布置于蒸發(fā)器下游，確?？諝饨?jīng)過蒸發(fā)器冷卻或加熱后，能快速實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)[9]。

空氣循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、均流裝置等組件集成于箱體背部與頂部，形成獨(dú)立的循環(huán)腔體，與工作室實(shí)現(xiàn)無縫銜接，確保氣流順暢循環(huán)，避免氣流短路。控制系統(tǒng)采用PLC+觸摸屏設(shè)計(jì)，集成于箱體側(cè)面操作面板，便于操作人員設(shè)置測(cè)試參數(shù)、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)預(yù)留通訊接口，支持遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集，滿足智能化測(cè)試需求。

3 內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)是高低溫試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)溫場(chǎng)均勻性與快速溫變的核心，其作用是將制冷/加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量/熱量均勻傳遞至工作室各個(gè)區(qū)域，同時(shí)帶走測(cè)試樣品表面的熱量/冷量，維持箱內(nèi)溫度穩(wěn)定。本文針對(duì)傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)存在的溫度分層、局部死角、熱交換效率低等問題，結(jié)合CFD仿真技術(shù)，從風(fēng)道布局、風(fēng)機(jī)選型、均流結(jié)構(gòu)及控制策略四個(gè)方面進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合中科富祺試驗(yàn)箱產(chǎn)品定位與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10592-2021《高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件》，確定空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)如下[10]：

- 工作溫度范圍：-70℃~+180℃，覆蓋絕大多數(shù)產(chǎn)品測(cè)試需求；

- 溫度均勻性：空載狀態(tài)下，箱內(nèi)各測(cè)試點(diǎn)溫度差異≤±0.8℃；

- 溫度波動(dòng)度：≤±0.3℃，確保溫場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定；

- 溫變速率：-70℃~+85℃區(qū)間，平均溫變速率≥5℃/min，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提升25%以上；

- 氣流組織：無明顯氣流死角、無強(qiáng)直射氣流，工作室各區(qū)域風(fēng)速均勻（0.5m/s~1.5m/s），避免測(cè)試樣品因局部氣流過強(qiáng)出現(xiàn)損壞；

- 能耗優(yōu)化：在滿足上述性能指標(biāo)的前提下，能耗較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)降低15%以上。

3.2 風(fēng)道布局優(yōu)化

傳統(tǒng)高低溫試驗(yàn)箱多采用“單側(cè)上送下回"或“單側(cè)下送上回"的風(fēng)道布局，這種布局易導(dǎo)致氣流短路、局部渦旋，溫場(chǎng)均勻性較差，尤其在大容積設(shè)備中，溫度分層現(xiàn)象更為明顯[11]。結(jié)合CFD仿真技術(shù)，本文提出“雙側(cè)對(duì)稱立體閉環(huán)風(fēng)道"布局，具體設(shè)計(jì)如下：

1.  送風(fēng)風(fēng)道：在工作室兩側(cè)設(shè)置對(duì)稱的豎向送風(fēng)通道，送風(fēng)通道頂部與箱體頂部的橫向送風(fēng)腔連接，底部延伸至工作室底部；送風(fēng)通道內(nèi)側(cè)均勻開設(shè)送風(fēng)孔，送風(fēng)孔采用斜向設(shè)計(jì)（與水平方向夾角30°~45°），且上下送風(fēng)孔的角度交錯(cuò)分布，確保氣流能夠均勻覆蓋工作室各個(gè)區(qū)域，避免氣流直吹測(cè)試樣品。

2.  回風(fēng)風(fēng)道：在工作室背部設(shè)置豎向回風(fēng)通道，回風(fēng)通道頂部與風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口連接，底部與工作室底部的回風(fēng)腔連接；回風(fēng)通道內(nèi)側(cè)開設(shè)回風(fēng)孔，回風(fēng)孔主要分布在工作室上、中、下三個(gè)區(qū)域，確保工作室各個(gè)高度的空氣能夠均勻回風(fēng)，避免局部空氣滯留。

3.  循環(huán)路徑：風(fēng)機(jī)將經(jīng)過熱交換組件（蒸發(fā)器/加熱器）處理后的空氣送入頂部橫向送風(fēng)腔，再分配至兩側(cè)豎向送風(fēng)通道，通過送風(fēng)孔送入工作室；空氣在工作室內(nèi)部完成熱交換后，通過背部回風(fēng)通道的回風(fēng)孔進(jìn)入回風(fēng)腔，再被風(fēng)機(jī)抽吸至熱交換組件，形成閉式強(qiáng)制循環(huán)。

通過風(fēng)道布局優(yōu)化，消除了傳統(tǒng)風(fēng)道的氣流短路與局部渦旋問題，同時(shí)利用雙側(cè)對(duì)稱送風(fēng)，有效抑制了溫度分層現(xiàn)象。CFD仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的風(fēng)道布局，氣流覆蓋效率提升35%以上，工作室內(nèi)部無明顯氣流死角。

3.3 風(fēng)機(jī)選型與動(dòng)力匹配優(yōu)化

風(fēng)機(jī)作為空氣循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力源，其選型與動(dòng)力匹配直接影響氣流速度、循環(huán)效率與能耗[12]。傳統(tǒng)試驗(yàn)箱多采用固定轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，無法根據(jù)不同工況（升溫、降溫、恒溫）的需求調(diào)整風(fēng)速，導(dǎo)致恒溫工況下能耗偏高，升溫/降溫工況下循環(huán)效率不足。本文結(jié)合設(shè)備容積與優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型與動(dòng)力匹配優(yōu)化：

1.  風(fēng)機(jī)選型：選用高靜壓后傾式變頻離心風(fēng)機(jī)，該類型風(fēng)機(jī)具有風(fēng)壓穩(wěn)定、風(fēng)量可調(diào)、噪音低、耐高低溫、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合高低溫試驗(yàn)箱的工作環(huán)境；風(fēng)機(jī)葉輪采用防腐處理，避免低溫工況下結(jié)霜影響運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.  功率匹配：根據(jù)工作室容積、風(fēng)道阻力、熱交換需求，精準(zhǔn)匹配風(fēng)機(jī)功率。例如，500L容積試驗(yàn)箱，選用1.5kW變頻離心風(fēng)機(jī)，確保有效循環(huán)風(fēng)量達(dá)到1200m3/h，滿足熱交換與氣流均勻性需求；同時(shí)，風(fēng)機(jī)功率與制冷/加熱系統(tǒng)功率協(xié)同匹配，避免因風(fēng)機(jī)功率過大導(dǎo)致能耗浪費(fèi)，或功率過小導(dǎo)致循環(huán)效率不足。

3.  變頻控制：采用變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)不同工況動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速：升溫/降溫工況下，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1480r/min），增大循環(huán)風(fēng)量，加快熱交換效率，提升溫變速率；恒溫工況下，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（960r/min），減少循環(huán)風(fēng)量，維持溫場(chǎng)穩(wěn)定，同時(shí)降低能耗；低溫工況下，適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，抑制箱內(nèi)溫度分層，避免局部結(jié)霜。

3.4 均流與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為進(jìn)一步提升氣流均勻性，抑制紊流與局部溫度梯度，在風(fēng)道布局與風(fēng)機(jī)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，增設(shè)多級(jí)均流與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)如下[13]：

1.  送風(fēng)均流：在送風(fēng)通道的送風(fēng)孔內(nèi)側(cè)設(shè)置多層均流網(wǎng)，均流網(wǎng)采用不銹鋼材質(zhì)，孔徑為2mm~3mm，通過多層均流，將送風(fēng)通道內(nèi)的紊流轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)氣流，確保每個(gè)送風(fēng)孔的出風(fēng)速度均勻（偏差≤0.2m/s）；同時(shí)，在送風(fēng)通道頂部設(shè)置導(dǎo)流板，引導(dǎo)氣流均勻分配至兩側(cè)送風(fēng)通道，避免單側(cè)氣流過強(qiáng)。

2.  工作室導(dǎo)流：在工作室頂部、底部及兩側(cè)設(shè)置弧形導(dǎo)流板，導(dǎo)流板采用SUS304不銹鋼材質(zhì)，與箱體圓弧轉(zhuǎn)角銜接，引導(dǎo)氣流順暢循環(huán)，避免氣流在轉(zhuǎn)角處滯留；針對(duì)動(dòng)力電池等特殊測(cè)試樣品，在置物架與內(nèi)箱底部的間距增至0.2m，同時(shí)適當(dāng)增大回風(fēng)口截面積至0.15m高度，減輕甚至消除樣品之間的渦旋現(xiàn)象[14]。

3.  回風(fēng)均流：在回風(fēng)通道的回風(fēng)孔外側(cè)設(shè)置均流板，均流板采用多孔結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)工作室空氣均勻進(jìn)入回風(fēng)通道，避免局部空氣回流過快導(dǎo)致的氣流紊亂；同時(shí)，在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)流罩，減少氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)時(shí)的阻力，提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。

3.5 控制策略優(yōu)化

空氣循環(huán)系統(tǒng)的控制策略直接影響溫場(chǎng)穩(wěn)定性與能耗，本文結(jié)合多點(diǎn)測(cè)溫與模糊PID自適應(yīng)控制技術(shù)，優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與溫度的協(xié)同調(diào)節(jié)[15]：

1.  多點(diǎn)溫度采集：在工作室上、中、下、左、右、前、后七個(gè)區(qū)域布設(shè)PT100鉑電阻傳感器（精度±0.15℃），構(gòu)建7點(diǎn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集箱內(nèi)各區(qū)域溫度數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)掌握溫場(chǎng)分布情況，避免因單點(diǎn)測(cè)溫導(dǎo)致的控制偏差[16]。

2.  模糊PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)：將采集到的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比，通過模糊PID算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱功率與制冷功率。當(dāng)箱內(nèi)溫差較大時(shí)，自動(dòng)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與加熱/制冷功率，加快溫場(chǎng)均衡；當(dāng)箱內(nèi)溫度接近設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與加熱/制冷功率，維持溫場(chǎng)穩(wěn)定，避免溫度超調(diào)。

3.  變風(fēng)量控制邏輯：預(yù)設(shè)不同工況的風(fēng)速曲線，升溫/降溫段采用大風(fēng)量快速換熱模式，恒溫段采用低風(fēng)量穩(wěn)溫節(jié)能模式，低溫段采用中風(fēng)量防分層模式，實(shí)現(xiàn)不同工況下的優(yōu)化風(fēng)量控制，兼顧溫變效率、溫場(chǎng)穩(wěn)定性與能耗優(yōu)化。

4.  故障自診斷：集成風(fēng)機(jī)堵轉(zhuǎn)、風(fēng)速異常、傳感器失效等故障監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（如風(fēng)機(jī)故障時(shí)，關(guān)閉加熱/制冷系統(tǒng)），避免設(shè)備損壞與測(cè)試樣品損失。

4 CFD仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，本文采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行CFD仿真分析，同時(shí)制作優(yōu)化后樣機(jī)，開展性能測(cè)試，對(duì)比優(yōu)化前后的設(shè)備性能指標(biāo)。

4.1 CFD仿真分析

4.1.1 仿真模型建立

以中科富祺500L高低溫試驗(yàn)箱為研究對(duì)象，建立箱體、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、熱交換組件、工作室的三維模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量約為2.5×10?，網(wǎng)格質(zhì)量≥0.8，確保仿真精度；設(shè)定湍流模型為k-ε模型，邊界條件如下[17]：

- 風(fēng)機(jī)邊界：設(shè)定為速度入口，根據(jù)風(fēng)機(jī)選型參數(shù)，設(shè)定不同工況的入口風(fēng)速；

- 熱交換組件邊界：設(shè)定為溫度邊界，升溫工況下設(shè)定為85℃，低溫工況下設(shè)定為-40℃；

- 工作室邊界：設(shè)定為絕熱邊界，忽略工作室壁面的熱損耗；

- 出口邊界：設(shè)定為壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

4.1.2 仿真結(jié)果分析

通過CFD仿真，分別分析優(yōu)化前后試驗(yàn)箱在高溫（85℃）、低溫（-40℃）恒溫工況下的流場(chǎng)與溫場(chǎng)分布，結(jié)果如下：

1.  流場(chǎng)分布：優(yōu)化前，試驗(yàn)箱存在明顯氣流死角（主要集中在工作室角落與樣品放置區(qū)域），局部出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，氣流速度偏差較大（偏差≥1.0m/s）；優(yōu)化后，工作室內(nèi)部氣流分布均勻，無明顯氣流死角與渦旋，氣流速度控制在0.5m/s~1.5m/s，速度偏差≤0.2m/s，氣流覆蓋效率提升35%以上，樣品之間的渦旋現(xiàn)象系統(tǒng)化消失[18]。

2.  溫場(chǎng)分布：優(yōu)化前，高溫工況下箱內(nèi)溫差為2.3℃，低溫工況下溫差為2.7℃，存在明顯溫度分層；優(yōu)化后，高溫工況下箱內(nèi)溫差為0.7℃，低溫工況下溫差為0.8℃，溫度分布均勻，無明顯溫度分層，滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

制作優(yōu)化后500L高低溫試驗(yàn)箱樣機(jī)（型號(hào)：FCD7-50L），同時(shí)選取傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的同型號(hào)樣機(jī)作為對(duì)比；試驗(yàn)依據(jù)GB/T 10592-2021《高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件》，在空載狀態(tài)下，對(duì)兩臺(tái)樣機(jī)的溫度均勻性、波動(dòng)度、溫變速率及能耗進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)環(huán)境條件如下：

由表1可知，優(yōu)化后的高低溫試驗(yàn)箱，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到并超過優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：溫度均勻度較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提升63%以上，溫度波動(dòng)度提升71%以上，溫變速率提升30%，能耗降低15.1%。試驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文提出的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化方案的有效性與可行性。

此外，針對(duì)新能源電池測(cè)試場(chǎng)景，開展專項(xiàng)測(cè)試，將兩臺(tái)動(dòng)力電池樣品放入優(yōu)化后樣機(jī)，在45℃恒溫工況下測(cè)試，結(jié)果顯示樣品之間無渦旋現(xiàn)象，樣品表面溫度均勻，溫差≤0.5℃，滿足動(dòng)力電池高精度測(cè)試需求[19]。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

本文以中科富祺高低溫試驗(yàn)箱研發(fā)實(shí)踐為基礎(chǔ)，圍繞設(shè)備整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)開展優(yōu)化研究，結(jié)合熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)理論與CFD仿真技術(shù)，得出以下結(jié)論：

1.  提出的“雙層箱體+多層復(fù)合隔熱+雙層密封"整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減少了箱內(nèi)外熱交換，提升了設(shè)備密封性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為溫場(chǎng)均勻性提供了良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；圓弧過渡與模塊化設(shè)計(jì)，兼顧了氣流順暢性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與后期維護(hù)需求。

2.  針對(duì)傳統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)的痛點(diǎn)，提出的“雙側(cè)對(duì)稱立體閉環(huán)風(fēng)道+變頻離心風(fēng)機(jī)+多級(jí)均流整流+模糊PID自適應(yīng)控制"集成優(yōu)化方案，有效消除了氣流死角、渦旋與溫度分層現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速與溫度的協(xié)同調(diào)節(jié)。

3.  CFD仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證表明，優(yōu)化后試驗(yàn)箱在-70℃~+180℃工作范圍內(nèi)，空載溫度均勻度≤±0.8℃，溫度波動(dòng)度≤±0.3℃，溫變速率≥5.2℃/min，能耗降低15.1%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到測(cè)試設(shè)備要求，可滿足航空航天、新能源、電子等領(lǐng)域的嚴(yán)苛測(cè)試需求。

4.  本文研究成果已批量應(yīng)用于中科富祺高低溫試驗(yàn)箱系列產(chǎn)品，經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)試精度高、能耗低，獲得了用戶的廣泛認(rèn)可，為企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)提供了有力支撐。

5.2 展望

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，測(cè)試場(chǎng)景日益復(fù)雜，對(duì)高低溫試驗(yàn)箱的性能要求將進(jìn)一步提高，未來將圍繞以下方向開展深入研究：

1.  進(jìn)一步推進(jìn)CFD參數(shù)化自動(dòng)優(yōu)化，結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)道布局、風(fēng)機(jī)參數(shù)、均流結(jié)構(gòu)的自動(dòng)迭代優(yōu)化，縮短研發(fā)周期，提升設(shè)計(jì)精度；

2.  開展分區(qū)獨(dú)立控溫與風(fēng)場(chǎng)調(diào)節(jié)研究，針對(duì)大容積、多樣品測(cè)試場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)工作室不同區(qū)域的溫度與風(fēng)速獨(dú)立控制，滿足多樣化測(cè)試需求；

3.  融合物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警與遠(yuǎn)程運(yùn)維，提升設(shè)備智能化水平；

4.  探索新型隔熱保溫材料與節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步降低設(shè)備能耗，推動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備向綠色節(jié)能、高效精準(zhǔn)方向發(fā)展。

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