Page 107 - 2023年第54卷第6期

此外，本文模拟中表现出的，经比尺准则的换算得到的等效热流密度可以抵消低加速度条件时制
冷效果的下降。

５ 热边界设置建议

通过上述分析与讨论，给出了超重力场下半导体制冷设备模型换热过程的一般规律。但这些规律
５
还需要结合设备特点，最终需要落脚到实际应用。图 １２给出了 Ｌ ＝ ２０ｃｍ 、Ｎ ＝ ５０ 工况下模型内在 １０ ｓ
时刻空腔内的温度分布。由于 Ｒ － Ｂ对流的特点，空间内的温度分布与流场有关，任意一点的温度都有
一定差别。在以往的研究中试验目标温度的设定往往参照工程原型的实际气温，例如原型当地最冷月
最低气温为－ ３０℃，那么试验中将其直接视为热交换板冷端的输出温度，显然不合理。气温的标准定
义是陆地上方 １．５ｍ处空气的温度。从前述模拟结果来看，模型表面的温度与冷端板面温度是有差异
的，考虑到模型缩尺效应后会使温度边界条件更加模糊，实际中也不好操作。因此，试验中不适宜直
接采用工程原型的气温数据视为温度边界设定的依据。另一方面，如前述，该设备适合的模拟对象是
连续的寒冷期的一个连续的降温过程。那么，试验开始前应当对原型的温度做平均化处理（例如获取
日均、月均温度）。

５
图 １２ 空腔内温度分布示意（Ｌ ＝ ２０ｃｍ、Ｎ＝ ５０，１０ ｓ）
冻结指数常用作描述地区寒冷持续时间，是对寒冷程度的一种度量 ［２１］ 。而寒区工程离心模拟实验
的目的就是考察地基在大跨度时间尺度下的工程性状，冻结指数正是这一尺度下表征温度变幅的有效
指标 ［２２］ ，与超重力场十分契合。本文中采用空气冻结指数反映 “冻结程度”，即是描述这种连续寒冷
期的指标。在试验设计阶段，可以将待模拟对象地区的冻结指数与本文所述的 “冻结程度” 相结合。
图 １３给出了基于图 ６的空气冻结指数累计值，
统计的数据基于自模型表面进入 ０℃后至 － １０℃期
间的温度和对应原型的天数，毕竟多数试验是为了
考察地基由正温至负温这一过程所产生的现象。这
时可以按此与工程原型的冻结指数进行对照。以文
献［ １６］中提供的数据为例，新疆北疆福海地区位于
我国西北角，阿勒泰地区中部，地区冻结指数多年
平均值为－ １８４９．８℃·ｄ，属于典型的寒区。某水利
工程位于福海县喀拉玛盖乡附近，当地气象站数据
显示，２０２０—２０２１年冬季当地平均气温低于 ０℃天
数为 １６４ｄ，累计冻结指数 － １３４２．６℃ ·ｄ。从图 １３ 图 １３ 基于模拟结果的有关工况冻结强度累计值

— ７ ３ ５ —