Page 108 - 2023年第54卷第6期

中可以看出，在 Ｔ＝－ ３０℃的前提下，基本符合条件的有，Ｎ＝ ３０、Ｌ ＝ １０；Ｎ＝ ５０、Ｌ ＝ １；Ｎ＝ ５０，Ｌ ＝
ｃ
１０ 等工况。显然，Ｎ ＝ ５０ ，Ｌ ＝ １０ 这一工况可使模型试验时间更短，边界设置空间更加宽裕，更符合
实际。当然，时间允许的情况下，选择 Ｎ ＝ ３０ 、Ｌ ＝ １０ 这一工况也是合适的。
另一项实际应用的重要工作是协 调好 试验模型
时间。对图 １３中 Ｎ＝ １０的几条曲 线进 行数据延 伸，
也可能满足要求，但对实际模拟时间来说是巨大考
验。根据时间比尺（如图 １４所示）关系，结合我国冰
冻周期实际 ［２３ － ２４］ ，对于连续寒冷季节的模拟，通常
情况下模型时间控制在 ３～５ｈ时具有实际意义。并
且有些地区的平均最低温度并不十分低，理论上本
文中涉及的有关工况对于我国寒区工程环境的模拟
是适用的。以上可以看出，温度输出 的工 况设计具
有一定 综 合 性。但 该 方 法 基 于 冻 结 指 数 这 一 概 念，
通过调整模型内空间、重力加速度、冷端 目标温度
图 １４ 原型时间与模型时间的换算关系
等，进而与实际工程的温度环境匹 配，对 比直接采
用温度作为设定指标而言更加客观，热边界条件也更加清晰。
此外，热边界条件设置时还应关注热交换装置本身的性能。将图 １中各试验的设备功率及初始工
况统计在表 ５中。可知，所述 ４个试验中无论热交换板的目标输出温度如何，冷面初始温度降至设定
温度期间都持续了 １ｈ左右。事实上，１ｈ的模型时间对于高重力加速度（例如 Ｎ ＝ ５０）条件下对应的原
型时间并不短（Ｎ ＝ ５０ 对应为 １０４．２ｄ）。鉴于此，比较合适的方法是采用预制冷的方式，即待冷端温度
达到预设温度后即视为恒温边界，再开启离心机，以减少不必要的开机时间。

表 ５ 已完成的相关试验设备功率及实际温度输出情况
序号 设备理论功率?Ｗ 模型率 Ｎ 初始环境温度?℃ 冷端目标温度?℃ 冷端实际最低温度?℃
１ ＃ ９０００ ５０ １０ － ４０ － ４０
２ ＃ ３６００ ３０ １８．１４ － ３０ － ３０．２９
３ ＃ ２１６ ３０ ２３．７７ － ３０ － ３０．３４
４ ＃ ３６００ ３０ ９．４８ － ４０ － ３９．４３

６ 结论

本文采用数值模拟方法，就一定模型尺寸条件下的超重力场中半导体热交换装置的换热特性进行
了研究，得到了冷热表面平行的模型，其夹层空间内的换热特征，分析了不同间隙间距、冷热端的初
始温度、重力加速度值等边界条件对模型换热时空规律的影响，结合实际应用，给出了寒区工程离心
模型试验温度边界的设置优化方法，为试验设计提供科学依据。主要结论如下：
（ １）对于一定尺寸的模型，重力加速度越大，间隙间距越小，模型表面降温速率越快，制冷效果越好；
（ ２）对于一定尺寸的模型，重力加速度一定时，间隙间距越大，模型表面的换热强度越高；间隙
间距一定时，模型重力加速度越大，表面换热强度越低。
（ ３）基于冻结指数的定义，提出了寒区工程离心模型试验模型表面 “冻结程度” 的概念，为使模
型表面对应原型地基更好的冻结效果，在提升模型重力加速度的前提下，应当扩大间隙间距。
（ ４）半导体热交换设备适用于模拟一个连续的寒冷期；在时间比尺的影响下，相比较原型温度，
空气冻结指数指标更能指示原型地基表面的冻结情况，更适合用作寒区工程离心模型试验温度边界的
设置。实际应用时需结合原型尺寸，模型箱尺寸，热端初始温度，根据数值模拟方法综合确定间隙间
距、重力加速度、目标输出温度等边界条件。在设置模型时间时，采用本文提出的方法前应考虑热交
换板由初始温度降为目标温度这一阶段的时长。

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