采用离心风机的风冷冰箱风道出风均匀性优化设计

谢从虎 程璨 李志强 蓝启航 刘洪挺

中国电器科学研究院股份有限公司 广东广州 510860

1 引言

风冷冰箱由于容量大、制冷快、控温精准、易于分区等优势，日渐受到消费者的青睐。风机作为风冷冰箱的核心部件之一，对其制冷性能有重要影响。离心风机由于噪声小、效率高等特点，已经呈现出逐步替代轴流风机的趋势。但离心风机的工作原理与轴流风机有较大区别：经蒸发器制冷后的冷气由轴向流入离心风机叶轮，通过高速旋转的叶轮将气体流向改变，从径向吹出风机组件。这使得离心风机不能应用于轴流风机常采用的对称型风道，而需参考蜗壳结构对风道结构进行优化，以提高出风效率。叶增明等[1]针对蜗壳内壁型线设计提出近似作图法，但受制于冰箱几何结构限制，此方法难以完整应用于冰箱风道。

对于应用离心风机的风冷冰箱，陈庆涛等[2]对进风口处导风圈结构进行研究，通过调整入口直径和防回流环的直径来提升出风效率并降低噪声。朱宇龙等[3]对离心风机入口关键参数进行了分析，表明需要重点关注支架距离风机距离、支撑腿数量、风机入口直径三个因素。黄兴宇[4]对风机入口处的进口直径、进口深度以及进口圆弧半径三个参数进行研究并对风道结构进行优化，优化后的方案对比初始方案冷冻室最大温差从1.7℃降至0.9℃。张波[5]等通过调整进风半径和回风面积，提升了一款小容积风冷冰箱的性能指标并降低了整机噪声。陈成[6]等基于Fluent对冷藏室风道进行改型优化，将冷藏室内温差由7.5℃降至3.8℃。

目前，国内针对风冷冰箱风道的研究集中在上藏下冻型冰箱，而上冻下藏型冰箱主要为欧美、非洲等地的主流产品，对这类冰箱现有的研究偏少。随着我国冰箱行业海外市场的迅速发展，这部分研究亟待完善。本文以配有离心风机的上冻下藏型风冷冰箱冷冻风道为研究对象，采用数值仿真与实验验证相结合的方法，通过优化冷冻风道内部的几何结构，优化各出风口风量分配，从而提高箱内温度均匀性。

2 模型建立及验证

2.1 物理模型

本文研究对象为一款容积为430 L的上冻下藏型风冷冰箱，简化后的冷冻室箱体模型如图1所示。冷冻室中部包含一个玻璃层架，位于第二层风口的上方。冷冻风道组件分为前盖板、后盖板和风机组件三大部分，简化后的模型如图2所示。前盖板上共有四组主要出风口，为箱内提供冷气，依次标记为LU、LM、RU、RM。后盖板上有左右两组排水孔，也会有少量冷气漏出，但不参与箱内制冷，依次标记为LD和RD。盖板底部有去往冷藏室的出风口，标记为FR。

图1 冷冻室箱体模型

图2 冷冻风道组件

2.2 数学模型

为适应数值模拟计算，本文对箱内空气流动过程做以下简化假设：（1）箱内空气流动已达稳态，不再随时间变化；（2）箱内空气为不可压缩流体；（3）箱内空气在内壁面上满足无滑移边界条件；（4）箱内空气为理想气体。基于上述假设，箱内空气流动满足下列方程：

连续性方程：

X方向动量方程：

Y方向动量方程：

Z方向动量方程：

式中，u、v、w分别代表X、Y、Z方向的速度分量，ρ、p、ν、g、β、T分别代表密度、压力、动力粘度、重力加速度、热膨胀系数、温度。

2.3 计算模型

为更加准确地对箱内空气流动及换热情况进行模拟，本文对冷冻室翅片蒸发器运用多孔介质模型进行分析，对离心风扇运用MRF模型进行分析。各部件材料按照实际进行设置。本文采用RNG k-ε湍流模型以及可扩展壁面函数。对连续性方程、动量方程等的求解采用SIMPLE算法。为验证网格无关性，本文对不同网格水平下LU口出风风量占比与实验值相比较。结果如图3所示。当网格数量增加到28.4万时，仿真结果与实验值接近，且基本稳定。

图3 网格数量与LU出风口出风风量占比相关性

2.4 模型验证

基于已建立的仿真模型对初始对称结构的冷冻室风道速度场进行仿真分析，对四组出风口的流量分配进行监控。采用风速仪对各出风口的风速进行测量，每组出风口按照结构特点分别测量多组数据，并按照面积加权得出风量。各组出风口测试值和仿真值的风量分配对比如表1所示。四组出风口的仿真值和实测值的偏差在-2.5%至2.1%之间，且都呈现出左侧出风量大于右侧出风量的特征。仿真结果能够较准确地反应实际风量的分配情况。对初始对称模型的分析结果也表明，此设计左右两侧的风量分配差值达到12%，左右两侧出风非常不均匀。

表1 各出风口出风量仿真值与实验值对比

3 冷冻风道速度场数值仿真及方案优化

本文在原始方案基础上进行优化并做仿真分析对比。为提高进风效率，所有方案的风机都在水平方向居中放置，位于蒸发器的中部。按风道特征，将风扇分成区域I、区域II和区域III。风机按图示视角逆时针旋转。出风面速度矢量图直观反映了各出风口的风速大小和方向。在所有出风口中，只有从上部和中部流出的冷气参与冷冻室制冷。因此，左侧出风流量为LU出风口和LM出风口的流量之和，右侧出风流量为RU出风口和RM出风口的出风流量之和。为便于比较箱内左右两侧风量，将出风流量折算成百分比。

方案A的几何结构和仿真结果如图4所示。依据离心风机出风特性，在区域II和区域III采取不对称设计，减小左侧出风通道的尺寸。由风道内流线分布可知，风道左侧流线整体杂乱无章。LU出风口空气横向流动明显且速度偏大，LM出风口处空气流动偏少。对出风面速度矢量图进行分析可知，LU出风口的右部有部分冷风横向向左吹出，且速度较大。这部分横向风一方面会影响LM出风口中部出风的风向，另一方面将直接吹到冷冻室左侧壁面上，不能有效参与箱内制冷。此外，由于中部出风口与箱内玻璃层架距离相近，LM出风口左半部分出风方向朝上，会直接吹到玻璃上，同样不能有效参与箱内制冷。左侧出风流量占比48.68%，右侧出风流量占比51.32%，左侧的出风流量较右侧整体偏小2.64%，即方案A会存在左右两侧出风流量不均的情况，且左侧出风方向不合理，无法有效参与箱内制冷。

图4 方案A的几何结构和仿真结果

方案B的几何结构和仿真结果如图5所示。方案B在方案A的基础上，在区域I内风机左上角处增加导流结构，以改变风向。由风道内流线分布可知，风道左侧流线较方案A明显有序。LU出风口空气横向流动减弱，向上出风部分明显增加。LM出风口处空气流动明显增加。由出风面速度矢量图可知，LU出风口右部的横向风和LM出风口左部向上的吹风情况均有明显改善。左侧出风流量占比48.79%，右侧出风流量占比51.13%，左侧的出风流量仍然较右侧整体偏小2.34%。方案B仍然存在左右两侧出风流量不均的情况，但左侧出风方向较方案A有明显优化。

图5 方案B的几何结构和仿真结果

方案C的几何结构和仿真结果如图6所示。方案C在方案B的基础上，在区域III内增大左侧出风口面积，以调整风量分配。方案C的风道内流线分布情况与方案B基本类似，但LM出风口处空气流动有所增加。由出风面速度矢量图可知，LM出风口的出风风速有明显增加，且其他出风口的风向没有太大变化。由出风流量对比可知，左右两侧流量差值缩小至0.65%。方案C基本满足设计需求。

图6 方案C的几何结构和仿真结果

4 优化方案的带载温度场实验验证

出风口处出风的速度和方向直接影响箱内的温度分布。出风风速过小或出风方向不合理将使得冷气无法在箱内充分循环，造成箱内温度分布不均匀。本文依据以上三种方案分别制作了风道手板样机以进行实验验证。风道分别装配于冰箱整机上，进行25℃环温下带载循环测试。为验证左右两侧的温度均匀性，冷冻室内的负载包和测温点均左右对称放置。测温点选取冷冻室内F1～F6共计6个测温点，分别位于箱内左右侧的上部、中部和下部，具体位置如图7所示。测试结果如表2所示。

图7 负载包及测点放置示意图

表2 三种方案带载循环测试结果

实验结果表明，方案A冷冻室测点F1至F6的均温为-18.97℃，左右两侧温差高达3℃，均明显高于方案B与方案C。尤其F2点温度高达-15.7℃。通过速度场数值仿真可知，方案A中左侧出风流量相较右侧偏小2.64%，且出风方向不合理，冷量未能充分参与箱内制冷，造成左侧温度整体偏高。方案B的箱内均温-21.28℃较方案A有明显改善，F2点温度也降至-18.35℃。导风结构改变了出风口的风向，使得LU出风口的冷风能够参与箱内制冷，左侧温度整体降低。但因左侧出风流量仍较右侧偏低2.34%，左右两侧仍然存在1.25℃的温差。方案C在调整出风口面积后，左右两侧的出风流量差值降低至0.65%。经实验验证，方案C左右侧温差仅0.1℃，且箱内均温达最低温度-21.5℃。

5 结论

离心风机在应用时通常配备蜗壳结构以实现导流，而受制于冰箱的几何尺寸，风道内无法应用完整的蜗壳结构。因而对于采用离心风机的风冷型冰箱，为提高风循环效率，其风道的几何结构需做特殊处理，以使得风道出风均匀。

（1）简单地在风道边缘做左右不对称处理，无法有效增强风循环效率，反而造成两侧温差加大。这主要是由于离心风机径向出风，部分冷风直接吹到侧面箱壁上，无法有效参与箱内制冷。基于离心风机的工作原理，需在出风处增加导流结构以改变风向，将径向吹出的冷风引导至直吹箱内，以提高风循环效率。（2）各出风口的出风风向调整合理后，可按照出风流量数据，适度调整各出风口的面积，以进一步加强出风均匀性。（3）采用优化后的风道结构进行带载测试验证，冷冻室左右两侧的温差可从3℃降低至0.1℃。