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密闭空间的风扇能降温吗?

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6月前浏览17230

本文摘要(由AI生成):

文章主要讨论了密闭空间里的风扇是否能降温的问题。首先,文章指出密闭空间与外界没有能量交换时,风扇吹风会使得密闭空间温度升高。其次,密闭空间与外界有能量交换时,密闭空间的温度最终会升高,且伴有暂态过程。最后,文章通过仿真模型验证了密闭空间里存在发热物体时,放入一个转动的风扇,在经过一段时间后,发热物体的温度会比不加风扇更低。


——今个的天气真热啊,像火炉一样。

——一直吹风扇呗,还能热死不成?

这是以前夏天的时候常有的对话。现在CAE从业者想把吹风扇这个问题当作一个科学问题去深究一下:密闭空间里的风扇能降温吗?

 

密闭空间,指的是一个局部的空间,这个空间占有一定的体积,与空间以外的外界没有物质的交换,具有封闭的属性。但是密闭空间这个词并没有涉及能量,所以讨论密闭空间的能量问题时,要分情况去讨论。

 

第一种情况:密闭空间与外界没有能量交换,比如一个密室,内部墙壁喷涂满了绝热的聚氨酯,整个密室是一个热量的绝缘体。在这种情况下,里面有一个风扇在不停地扇风,那么里面的温度会上升还是下降?下面CAE从业者来剖析一下这个问题。

首先,CAE从业者要说,这个问题其实是问得不严谨的,即然要把这个问题当作一个科学问题来深究,那就要所有要素都要严谨,要定性定量。为什么说不严谨呢?因为没有说清楚这个密闭空间自身的温度情况,温度也是一个场变量,是具有分布属性的,要问密闭空间的温度会上升还是下降,必须说明温度的初始场分布,就和求解微分方程必须给定初值一样的道理。

1、密闭空间,如果经过了很长的时间了,里面的温度场分布已经达到均态了,那么这是一种分布;

2、另一种是密闭空间的温度场仍然有梯度,还没有到达均态,那么这是另外一种分布。

如果是第一种分布,初中物理就告诉过我们,风扇吹风时和空气摩擦,会有风摩损耗的存在,风摩损耗最终转化成热量使得密闭空间的温度升高;如果是第二种分布,那么当风扇吹风时,密闭空间的温度梯度会加速消散,在初始的一定时间内,这个温度场分布会发生变化,高温区域会把热量对流给低温区域,也就是说,密闭空间内部区域的温度会有升有降,关键看你把温度传感器放在哪里去测,但是随着时间的推移,这个密闭空间的温度总会因为风摩损耗而升高,初始的一定时间内发生的事情我们可以称为“瞬态”或“暂态”。

这里面还有一种特殊的情形,那就是如果密闭空间里的传感器是“人”,因为人的皮肤是一个巨大的传感器。在高温的隔热密闭空间里,风扇吹出来的风当然是热风。至于人在风扇前感觉是凉风还是热风,这是另外一回事,如果密闭高温的温度低于人体体表温度,人会感觉吹的风是凉风;如果密闭高温的温度高于人体体表温度,人会感觉吹的风是热风。如果人皮肤上有汗或者水,即使密闭高温的温度高于体表温度,那么在风扇吹热风使得汗或水蒸发时,人体可能也会感觉吹的风是凉风,因为这个时候水蒸发带走的热量会多于热风对流给皮肤的热量,从而使得皮肤感觉风是凉的。那么到这第一种情况就剖析结束了。

 

第二种情况,密闭空间于外界有能量交换。这种情况其实在现实种也很常见,比如一个密闭的玻璃房子,一个密闭的汽车。对于有能量交换的密闭空间,其实剖析的思想和第一种情况类似,只不过更加复杂一些。如果密闭空间吸收的热量多于散发的热量,那么密闭空间的温度最终会升高,且伴有暂态过程;反之类推。比如一个密闭的汽车,夏天在阳光下曝晒,里面的温度会急剧升高到七八十度。一个密闭的瓶子里装有一个气球在放入液氮后不一会儿气球就瘪了。这些现象都是密闭空间和外界热量交换的结果。

对于第二种情况,有一个种比较有意思的问题,就是密闭空间里存在发热物体,那么如果在这个密闭空间里放入一个转动的风扇,在经过一段时间后,发热物体的温度会比不加风扇更低吗?针对这个问题,CAE从业者采用XFlow作为求解器,建立了一个类似永磁电机端部的模型,因为永磁电机端部存在一个近似的密闭空间,这里为了简化问题,做成完全的密闭空间,绕组端部作为内部的发热源,并在密闭空间里面对绕组端部建立了实际的风扇模型,用实际的仿真数据去求证上述问题的答案。

 下图是仿真所用的模型,包括绕组端部、简化定子、外壳,内部形成了一个密闭空间,绕组端部和定子均为发热源。

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在经过一定时间后,绕组会达到比较高的温度,内部空气的温度也会升高。下面给出一定时间后带风扇和不带风扇的结果对比。

image.png

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从XFlow的仿真对比结果可以看出,在一定时间后,带风扇确实比不带风扇的绕组温度低了一点,这是因为风扇转动加速了空气对流同时加速了热量的均衡化,而且风扇本身也有一定的热容。但仿真模型并未考虑风摩损耗和机械损耗,所以这个仿真的温度差实际上会更小一些。

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内容简介:模型操作步骤讲解

XFlow换热散热暖通
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首次发布时间:2020-03-27
最近编辑:6月前
CAE从业者
博士 | CAE总工 登陆火星,就是现在
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