基于CFD仿真的冰箱风道优化研究

赵越 韩丽丽 张守杰 闫宝升

海信(山东)冰箱有限公司 山东青岛 266000

0 引言

随着制冷行业的蓬勃发展以及人民生活水平的逐步提升，风冷冰箱以不易结霜、智能化程度高、保鲜能力强等突出优点，更受广大消费者青睐[1]。如今消费者也更加注重冰箱产品的能效水平；同时，国家出台的新能效标准也促使企业不断推出能效值更高的产品[2]。

对于风冷冰箱，风道结构的特征决定了气流流通效率，冷藏/冷冻风道的设计直接影响间室温度分布合理性及风冷冰箱品质[3,4]。风道设计首先需要考虑分配到冷藏/冷冻间室的风量，分配比例合理才能确保冷藏/冷冻间室达到预期效果；除此之外还应考虑间室中各层风量分配比例，以保证间室温度均匀性；最后还需评估设计方案存在的凝露/结霜风险。

现在常用的风道设计方法是在现有产品设计方案的基础上加以改进，可以有效降低设计风险和开发周期。但是原有设计方案并非完全适用于新产品，通过实验方法调试产品性能需要耗费较多的时间成本与人力成本[5]。利用CFD（Computational Fluid Dynamics）计算流体力学仿真获取产品性能，并优化原始设计方案，已成为目前主流的产品预研手段。

本研究以现有冰箱产品为例，通过CFD仿真优化冰箱风道结构，在尽可能不增加经济成本的前提下，提升产品能效水平，为新产品开发提供借鉴。

1 仿真物理/数学模型

1.1 物理模型

本研究样机为某出口两门冰箱，冷藏/冷冻间室均有两层，采用轴流风机送风，产品截面如图1所示。

图1 产品截面示意图

抽取风道流体域后得到本研究采用的物理模型，计算过程中对网格独立性验证，最终计算模型网格数量控制在150万左右，模型部分网格质量如图2所示。

图2 本研究采用的物理模型及局部网格展示

1.2 数学模型

对于冰箱风道流场仿真研究，工业设计通常只考虑控制体积内的流动特性，而不考虑温度分布特性。本文采用的控制方程如下：

（1）连续性方程：

由于风道中气体流速较慢，马赫数Ma＜＜1，可视为不可压缩流体，连续性方程可简化为：

（2）动量方程:

风道中气体流动属于湍流现象，通常采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程描述气体流动过程：

（3）初始条件及边界条件设定:

初始条件：压力P=101.325 kPa；温度T=298.15 K；风机转速R=2400 r/min；边界条件：Plc1=Plc2=Plc3=Plc4=Pld1=Pld2=Pld3=Pld4=Pinlet1=Pinlet2=101.325 kPa。

本研究网格划分方式采用结构化网格为主，非结构化网格为辅的方式，风机附近流域进行网格加密处理，整体网格数约105万，平均网格质量大于0.96。

1.1 一般资料 选取上海市浦东新区肺科医院结核科收治的84例重症肺结核患者，收集时间2015年1月-2017年1月，采用信封法随机分为病例组和对照组各42例。

2 仿真及实验结果分析

2.1 原始风道设计方案仿真结果分析

由表1得知：冷藏间室总风量共计3.43 m3/h，其中上层出风量占比为81.77%。由于冷空气的自然对流现象，在设计冰箱风道时，通常要求间室上层出风占比较大，但该机型冷藏上层出风量过大，可能引起间室温度分布不均匀，存在一定设计问题。

表1 原始设计方案冷藏间室风量仿真结果

根据表2，冷冻间室总出风量共计13.08 m3/h，上层出风量略低于下层出风量，但是由于该机型冷冻间室容积小（仅47 L），间室温度均匀性良好。

表2 原始设计方案冷冻间室风量仿真结果

取图3所示3个截面，观察气体流动情况，分析产生风阻的原因，提出相应改善方案。图4为初始风道设计方案。

图3 研究截面示意图

图4 初始风道设计方案

如图5 a)截面1的流场分析图所示，风机位置出现两处涡流现象，上部涡流出现在轴流风机与冷藏风道之间，可以通过增加流通面积，来减少损失；但是下部涡流出现在风机固定支架处，无法有效消除。

图5 研究截面流场图

图5 b)截面2处，冷藏风道底部出现涡流，该处气体流通面积小，考虑通过减薄保温泡沫厚度，增加流通面积，以减小涡流现象。

除截面2涡流处外，图5 c)截面3冷冻风道上部出现涡流，通过将风道泡沫顶部由水平结构改为倾斜结构，使冷冻风道出风更加顺畅，避免气流团聚。

除消除涡流现象，考虑冷藏间室上层出风量占比大，增大下层出风口面积，改善风量分配比例；同时，由于冷冻风道较窄，适当减小风道泡沫厚度，增加风道整体流通面积。

良好的风道设计方案还需提供充足的回风量，使回风量与出风量匹配，因此还需要增大冷藏间室回风口（inlet1）面积。

2.2 改进风道设计方案仿真结果分析

根据表3数据所示，冷藏间室总风量由原方案的3.43 m3/h提升至4.32 m3/h，提升25.95%；此外，通过加大冷藏间室下层风口，冷藏间室上层出风量占比由81.77%降低至70.17%，提升了冷藏间室温度均匀性，降低了冷藏间室凝露风险。

表3 改进设计方案冷藏间室风量仿真结果

根据表4数据所示，冷冻间室总风量由13.08 m3/h提升至15.07 m3/h，提升15.21%。总风量由16.51 m3/h提升至19.39 m3/h，提升17.44%。

表4 改进设计方案冷冻间室风量仿真结果

对改进后的风道取相同位置的3个截面，如图6所示，分析气体流动特性及改善情况。

图6 改进风道设计方案

根据图7 a)截面1流场图，在增加流通面积后，相较于图5 a)，上部涡流改善效果显著；图7 b)冷藏风道底部涡流减小直至消失；对于7 c)，下部涡流情况同样得到改善，同时可以看出，冷藏/冷冻风道气体流速明显大于图5 c)。

图7 改进后的截面流场图

通过仿真计算以及流场分析，改进方案达到了预期效果。

2.3 改进设计方案实验设计及结果分析

实验研究采用GWINSTEK厂家生产的GPC-3030DN直流电源驱动冰箱风机运转，通过调整供电电压，使风机转速维持在2400 r/min，调整过程中采用PROVA RM-1501数字式转速计测定风机转速（误差±0.04%+2），最后利用KIMO AMI310多功能测量仪（误差±2%±0.1 dgts）测定各风口风速。

通过多次实验，剔除具有显著差异的实验数据，最终得到各风口平均风速，根据风口面积换算成为体积流量后的实验测试结果如表5所示，仿真模拟数值与实验测试结果对比如表6所示。

表5 实验测试结果

实验测试冷藏/冷冻间室总风量（4.30 m3/h/14.94 m3/h），与仿真结果（4.32 m3/h/15.07 m3/h）偏差较小分别为4.7%、8.7%；各风口出风量占比、层占比与仿真结果无显著差异。冷藏、冷冻室出风量仿真结果无显著差异，残差分别为0.02/0.13。

表6 仿真模拟数值与实验测试结果对比

3 结论

通过对某两门冰箱风道的CFD仿真分析，提出原有风道结构设计缺陷，并予以改进，研究结果表明：

冷藏间室总风量由3.43 m3/h提升至4.32 m3/h，提升25.95%，间室具有更佳的温度均匀性以及更小的凝露风险；冷冻间室总风量由13.08 m3/h提升至15.07 m3/h，提升15.21%；整体风量由16.51 m3/h提升至19.39 m3/h，提升17.44%；并通过实验测试，验证仿真结果的准确性。本文提出了一种利用CFD仿真方法优化风道结构的思路，同时通过实例展示了如何减少风道中气体流动损失，为冰箱风道优化研究提供了一定的参考价值。