CFD仿真在冰箱开发中的应用

2019-09-10朱小兵孟亮陈忠峻

家用电器 2019年5期

朱小兵孟亮陈忠峻

摘要：在风冷冰箱开发过程中，风道是一个最核心的功能部件。风道的优劣直接影响冰箱制冷能力、保鲜效果、能耗多少等关键指标，因此，对风道进行优化设计是非常重要且必不可少的工作。通常情况下，温度均匀性是衡量风道优劣的一个关键性指标，本文选用该指标为风道优劣评价指标，并将其作为风道优化设计的目标。为保证各间室内的温度均匀性和制冷效果，各风口位置和风量大小或配比是非常关键的设计参数。

关键词：冰箱；风道；CFD

Application of CFD Simulation in Refrigerator Development

Zhu Xiaobing Meng Liang Chen Zhongjun（Qingdao Haier Co. Ltd.， Qingdao 266101）

Abstract：In the development process of air-cooled refrigerators， the air duct is a core functional component. The merits and demerits of air ducts directly affect the refrigeration capacity， fresh-keeping effect， energy consumption and other key indicators of refrigerators. Therefore， the optimization design of air ducts is very important and essential work. Usually， temperature uniformity is a key index to measure the merits of the duct. This paper chooses this index as the evaluation index of the merits of the duct and takes it as the objective of the duct optimization design. In order to ensure the temperature uniformity and refrigeration effect of each room， the position of each air outlet and the size or proportion of air flow are the key design parameters.

Keywords：Refrigerator；air duct； CFD

1.引言

在風冷冰箱开发过程中，风道是一个最核心的功能部件。风道的优劣直接影响冰箱制冷能力、保鲜效果、能耗多少等关键指标，因此，对风道进行优化设计是非常重要且必不可少的工作。通常情况下，温度均匀性是衡量风道优劣的一个关键性指标，本文选用该指标为风道优劣评价指标，并将其作为风道优化设计的目标。为保证各间室内的温度均匀性和制冷效果，各风口位置和风量大小或配比是非常关键的设计参数。为了提高达成设计目标的准确性，CFD仿真技术的应用在行业内已经非常广泛[1]。

与直冷冰箱相比，风冷冰箱的能耗及噪声主要由风道系统与制冷系统决定，其中风道系统的性能优劣直接影响了制冷系统的效率高低[1]。本文首先通过对风道进行CFD分析，得到各间室风口的流量和配比，并通过与实验测试结果比较，进行仿真模型校准。待模型调试成功后，利用该CFD仿真结果，分析风道设计过程中可能存在的问题，并制定多个改善方案。然后通过CFD仿真的方法，进行方案有效性验证，筛选出优选改善方案后，通过试制样机温度分布实验测试，对改善效果进行最终验证。

通过上述过程，明显改善了风道，最终达成了设计目标，使各间室的温度差值降低至1℃以内。具体工作过程和结果如下文所示。

2.CFD仿真计算基本理论

根据流体力学基本理论，通用流体问题可以使用Navier-Stokes方程进行描述，笛卡尔坐标系下的具体表达式为：

以上共有5个方程，第1个方程是连续性方程，第2～4是xyz各方向上的动量方程，第5个是能量方程[2]。

从冰箱风道问题的实际出发，可以对以上问题进行简化。首先，风道内的风速较低，最大风速约为10m/s，远低于声速，且风道内温度变化不是很大，因此可以将密度和粘度做定值常数处理，即为不可压缩粘性流动；另外，在稳定运行的状态下，风道内的流动状态不随时间发生明显变化，因此可以看成定常流动问题。

综上所述，冰箱内的空气流动现象可以看成不可压缩粘性定常流动问题，进而可以采用如下方程进行表述[3]：

其中

上述方程组共4个变量和4个方程，可以确定求解。

3.CFD仿真建模

本文以某款冰箱风道为研究对象（包含送风、回风和各间室），以总风量和各风口的流量分配为关键评价参数，并通过实验测试对CFD仿真结果的合理性进行评价，然后通过CFD仿真方法对风道优化方案进行效果评估，最终择优进行实验验证。

本文按照CFD仿真分析流程，逐步对具体过程进行说明。

3.1 几何简化和网格划分

对某型号冰箱风道进行必要几何简化，得到如图1、图2所示的几何模型：

几何简化完成后，进行网格划分。重点区域需要进行网格加密处理，间室内大空间采用较大尺寸进行网格划分，如此既可以保证计算准确性，也可以节省网格数量，提升计算速度。

网格划分情况如表1所示。

其中最大长宽比位于各间室大空间内，对流场的影响较小（主要关注流量分配，不考察间室内细节流场形态）；网格正交性较好，能够满足计算需求。

3.2 CFD仿真模型设置

通过前面的理论分析可知，本次进行的风道CFD分析为稳态不可压缩粘性湍流流动问题，因此采用稳态分析，采用定密度和定粘度的空气属性；风道CFD仿真分析过程中，风扇区域流场处理是最关键的，考虑旋转机械特性，选用重整化群（RNG）κ-ε湍流模型，因为该湍流模型被认为能够更准确地描述湍流漩涡问题，且提供了一个考虑低雷诺数流动黏性的解析公式，使得它比标准κ-ε模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度[4]；由于网格划分时未进行边界层划分，因此壁面附近采用标准避免函数进行描述。为保证计算的稳定性，采用基于压力的求解方式进行计算，并且采用simple方法求解压力与速度的耦合关系。方程离散化时，采用基于节点的方式求解梯度，压力相关项采用Presto格式，对流项选用二阶迎风格式，湍流项和耗散项采用一阶迎风格式。由于流场比较复杂，初始化时采用混合方式进行。另外，本文主要以流量分配为研究目标，忽略了换热过程的影响，因此在仿真模型中关闭了能量方程计算功能。由于风道中有蒸发器，采用多孔介质模型进行描述，风速与压强的关系采用参考教材《制冷原理及设备》中的公式计算获得，然后根据软件需求，转化成惯性阻力系数和粘性阻力系数[5]。

本文采用Fluent软件，完成如上所述的计算设置，并最终取得了收敛的计算结果。

4.仿真结果对比分析与改善分析

为了验证CFD仿真结果的可靠性，统计了各风口的风量，并与实验结果进行对比，如表2所示。

从表2可以看出，仿真结果与实验结果具有较好的吻合性，满足仿真指导设计的基本需求。

根据以往的工程经验，上述风量分配需要进行一些调整，以期获取更好的温度均匀性。

风扇及送风室是整个风道的动力源，其结构形态及流场状态很大程度上决定了各间室的风量分配。本文截取了送风室纵剖面的静压云图，如图3所示。

从图3中可以发现，F2区域静压力明显高于F1区域，与F2风量明显高于F1的现状相符；更深入分析F2区域静压值高的原因，应该与风扇转向（逆时针）、外侧导流板及变温室和冷藏室风门的位置有较大关系。其中将变温室风门向左移动、同时冷藏风门向左移动并适当减小风门面积，可以平衡F2和F1之间的风量，且不会明显改变F1与F2总风量。另外，为了提升F3的风量，最简单的办法就是增大F3风口的面积，同时降低F4和F5的风口面积。

5.温度均匀性实验测试

为了说明风道风量分配对温度均匀性及耗电量的影响，进行了风道改善前后样机的耗电量和温度分布实验测试，实验方法和实验结果如下文所示。

5.1 实验方案设计

根据该型号冰箱的销售市场，选用25摄氏度为环境温度，根据国标进行耗电量和储温实验条件，在符合国标要求的工况实验室内进行测试[6]。

本型号冰箱的冷冻室共有3个储物抽屉，上层和中层的每个抽屉放置5个带温度传感器的铜头，下层的抽屉较小，放2个带温度传感器的铜头，如图4所示。

5.2 实验结果分析

通过实际样机的实验测试，得到如表3所示的温度分布。

从表3可以看到，不管是冷冻室内最大温度差，还是各抽屉内温度差，改善后的样机都要优于改善前的。说明优化后的风道对温度均匀性有较为明显的改善效果，且改善后风道的样机具有更好的制冷效果。

另外，本实验还显示，风道优化后，耗电量也有一定改善，如表4所示。

6.结论

本文利用CFD仿真方法，对风道进行了优化，改善了各风口风量的分配，并通過实验验证了风量优化方案的有效性，最终通过样机实测，得到了冷冻室的温度分布。结果显示，改善后冰箱冷冻室具有良好的温度均匀性，从而达到了节能降耗、提升产品品质的目的。

参考文献