冷藏箱數(shù)值模擬的研究

李成祥

（青島大學(xué)，山東 青島 266071）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)冷藏箱的需求也越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)冷藏箱的要求也越來(lái)越高，不僅要求能夠更好的保存物品的質(zhì)量，而求要求能夠節(jié)能和環(huán)保。如何設(shè)計(jì)能夠更好地滿足用戶要求的冷藏箱是各個(gè)生產(chǎn)廠家面臨的主要問(wèn)題。目前冷藏箱仍然面臨著一些問(wèn)題，比如箱體內(nèi)部溫度場(chǎng)不均勻，某些部位溫度超標(biāo)，影響了物品的保存；壓縮機(jī)的頻繁開停機(jī)以及外界環(huán)境通過(guò)壁面和門封向箱體內(nèi)部的漏熱導(dǎo)致冷藏箱耗能的增加等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著冷藏箱的發(fā)展。因此如何更加有效快速的對(duì)冷藏箱箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)改善冷藏箱的性能，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及公司設(shè)計(jì)人員的研究重點(diǎn)[1-2]。

許多企業(yè)在設(shè)計(jì)冷藏箱時(shí)還是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，不僅耗時(shí)耗力，而求很難達(dá)到預(yù)期的效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值傳熱學(xué)的結(jié)合，計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD得到快速的發(fā)展，也已運(yùn)用到了冷藏箱的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化中去，不僅能夠縮短設(shè)計(jì)周期，而且節(jié)省了大量的財(cái)力。目前，國(guó)內(nèi)外的研究人員在設(shè)計(jì)冷藏箱時(shí)應(yīng)用CFD有了很多的研究成果。

1 冷藏箱箱體內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分析

冷藏箱箱體內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的分布是否均勻，不僅影響著保存物品的質(zhì)量，而且影響著冷藏箱的功耗。溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的優(yōu)化如果僅僅靠做實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行，不僅周期較長(zhǎng)，而且需要大量的人力物力，不符合企業(yè)的利益；因?yàn)榕c溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布有關(guān)參數(shù)有多個(gè)，工作量太大，而且如果要測(cè)量流場(chǎng)需要布置大量的傳感器，這樣做又破壞了箱體內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的分布[3]。數(shù)值模擬仿真能夠較真實(shí)的模擬箱體內(nèi)的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的實(shí)際分布情況，已成為研究人員進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算與優(yōu)化的重要工具，為冷藏箱箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

為了能夠使模型簡(jiǎn)單，考慮到箱體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，很多學(xué)者對(duì)箱體的二維溫度場(chǎng)與流場(chǎng)進(jìn)行了研究。凌長(zhǎng)明，陶文銓建立了冰箱非穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流換熱的二維計(jì)算模型，分析三個(gè)互不相通空腔內(nèi)的自然對(duì)流換熱情況，計(jì)算了周期性非穩(wěn)態(tài)工況下溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布[4]。

上海交通大學(xué)的丁國(guó)良等使用有限元軟件FIDA7.6，模擬了冰箱二維穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流空氣流場(chǎng)分布情況，并研究了內(nèi)部熱負(fù)荷、隔板以及蒸發(fā)器和門之間的間距、內(nèi)部隔板的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)箱體內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布的影響[5]。

周湘江等針對(duì)冰箱周期性非穩(wěn)態(tài)傳熱的特點(diǎn)，把導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射作為整體耦合求解，使用二維模型進(jìn)行模擬仿真得出箱體內(nèi)傳熱規(guī)律以及輻射的影響[6]。

吳小華采用FLUENT軟件建立了冰箱三維幾何模型，分別模擬網(wǎng)狀和平板擱物架時(shí)箱體內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布，得出了較為合理的結(jié)構(gòu)，同時(shí)提出了優(yōu)化的方向[7]。

于兵應(yīng)用PHOENICS軟件模擬了間冷式冰箱箱內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的分布情況，在建立物理模型過(guò)程中，對(duì)其做出一些簡(jiǎn)化；通過(guò)分析得知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，并且可以忽略浮升力的影響[8]。

蘇秀平等應(yīng)用FLUENT軟件計(jì)算了間冷式冰箱風(fēng)扇區(qū)域流場(chǎng)，采用二階k-ε湍流模型，風(fēng)扇葉片區(qū)域使用多坐標(biāo)模型，蒸發(fā)器區(qū)域使用多空介質(zhì)模型，提出了風(fēng)扇蓋板的改進(jìn)措施[9]。

俞炳豐等使用PIV技術(shù)測(cè)量了間冷式冰箱內(nèi)部流場(chǎng)，并將采用k-ε紊流模型計(jì)算模擬得到的結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，得出計(jì)算模型的正確，為箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)[10]。

2 冷藏箱研究中存在的問(wèn)題

很多學(xué)者為了問(wèn)題的簡(jiǎn)化，大都研究了冷藏箱的二維穩(wěn)態(tài)情況，而很少考慮三維非穩(wěn)態(tài)的情況，忽略了整體的影響，因此計(jì)算結(jié)果有片面性，計(jì)算結(jié)果的誤差較大。數(shù)值計(jì)算中沒(méi)有考慮箱體內(nèi)的輻射換熱，而因?yàn)橄潴w各壁面的溫差較大，輻射換熱對(duì)箱體內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的分布有著重要的影響[11]。同時(shí)，門縫結(jié)構(gòu)對(duì)箱體內(nèi)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分布的影響，無(wú)論是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法還是數(shù)值計(jì)算方法，存在一定的難度，因此需要更有效的解法。

3 總結(jié)

從以上分析可以看出，CFD已在冷藏箱箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化發(fā)揮了重要的作用，但是還有很多值得我們?nèi)ヌ剿鞯牡胤剑?/p>

（1）CFD在冷藏箱箱體溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的計(jì)算模擬中已經(jīng)應(yīng)用的非常成熟，但是很多都是為了簡(jiǎn)化問(wèn)題模擬了箱體的二維穩(wěn)態(tài)情況，對(duì)三維非穩(wěn)態(tài)情況涉足較少，而下一步的工作需要考慮所有的箱體壁面輻射換熱問(wèn)題。

（2）模擬計(jì)算中通常將箱體作為一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)，忽略了擱架以及放置物品對(duì)冷藏箱內(nèi)部換熱和流場(chǎng)的影響，但實(shí)際中擱架及其上的物品對(duì)冷藏箱內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布較大的影響。

（3）蒸發(fā)器的位置以及形式對(duì)箱體內(nèi)換熱的影響，通?？紤]的是它對(duì)冷藏箱能耗以及本身?yè)Q熱性能的研究，而忽略了它的位置和形式對(duì)箱體的溫度場(chǎng)與流場(chǎng)分布的影響。

［1］喬洪濤,盧智利,丁國(guó)良,張春路.CFD在冰箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].低溫工程,2003(4).

［2］Cezar O.R.Negrao,Christian J.L.Hermes.Energy and cost savings in household refrigerating appliances:A simulation-based design approach[J].Applied Energy,2011,88:3051-3060.

［3］C.Conceicao Antonio,C.F.Afonso.Air temperature fields inside refrigeration cabins:A comparison of results from CFD and ANN mode lling[J].Applied Thermal Engineering,2011,31:1244-1251.

［4］凌長(zhǎng)明,陶文銓.冰箱內(nèi)非穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流的二維數(shù)值模擬[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1995,29(10):35-41.

［5］Guo Liang Ding,Hong Tao Qiao,Zhi Li Lu.Ways to improve thermal uniformity inside a refrigerator[J].Applied Thermal Engineering,2004,24:1827-1840.

［6］周湘江,凌長(zhǎng)明.家用冰箱內(nèi)傳熱的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值研究[J].中南工學(xué)院科技通訊,1999,15(1):21-24.

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［8］于兵,童靈,闕雄才.間冷冰箱三維氣固耦合傳熱與流動(dòng)數(shù)值研究[J].1998(7).

［9］蘇秀平,陳江平,陳芝久,等.間冷式冰箱風(fēng)扇區(qū)域流場(chǎng)的數(shù)值模擬和優(yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,37(7):1133-1136.

［10］俞炳豐,費(fèi)繼友,孟祥兆,等.間冷式冰箱冷凍室內(nèi)流場(chǎng)的PIV測(cè)試和計(jì)算模擬[J].制冷學(xué)報(bào),2003(2):32-36.

［11］Bruno N.Borges,Christian J.L.Hermes,Joaquim.Gon?alves,Claudio Melo.Transient simulation of household refrigerators:A semi-empirical quasi-steady approach[J].Applied Energy,2011,88:748-754.