CFD仿真在冰箱開發(fā)中的應(yīng)用

朱小兵 孟亮 陳忠峻

摘要：在風(fēng)冷冰箱開發(fā)過程中，風(fēng)道是一個(gè)最核心的功能部件。風(fēng)道的優(yōu)劣直接影響冰箱制冷能力、保鮮效果、能耗多少等關(guān)鍵指標(biāo)，因此，對風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要且必不可少的工作。通常情況下，溫度均勻性是衡量風(fēng)道優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，本文選用該指標(biāo)為風(fēng)道優(yōu)劣評價(jià)指標(biāo)，并將其作為風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。為保證各間室內(nèi)的溫度均勻性和制冷效果，各風(fēng)口位置和風(fēng)量大小或配比是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：冰箱；風(fēng)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(fēng)冷冰箱開發(fā)過程中，風(fēng)道是一個(gè)最核心的功能部件。風(fēng)道的優(yōu)劣直接影響冰箱制冷能力、保鮮效果、能耗多少等關(guān)鍵指標(biāo)，因此，對風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要且必不可少的工作。通常情況下，溫度均勻性是衡量風(fēng)道優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，本文選用該指標(biāo)為風(fēng)道優(yōu)劣評價(jià)指標(biāo)，并將其作為風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。為保證各間室內(nèi)的溫度均勻性和制冷效果，各風(fēng)口位置和風(fēng)量大小或配比是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。為了提高達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)的準(zhǔn)確性，CFD仿真技術(shù)的應(yīng)用在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)非常廣泛[1]。

與直冷冰箱相比，風(fēng)冷冰箱的能耗及噪聲主要由風(fēng)道系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)決定，其中風(fēng)道系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響了制冷系統(tǒng)的效率高低[1]。本文首先通過對風(fēng)道進(jìn)行CFD分析，得到各間室風(fēng)口的流量和配比，并通過與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果比較，進(jìn)行仿真模型校準(zhǔn)。待模型調(diào)試成功后，利用該CFD仿真結(jié)果，分析風(fēng)道設(shè)計(jì)過程中可能存在的問題，并制定多個(gè)改善方案。然后通過CFD仿真的方法，進(jìn)行方案有效性驗(yàn)證，篩選出優(yōu)選改善方案后，通過試制樣機(jī)溫度分布實(shí)驗(yàn)測試，對改善效果進(jìn)行最終驗(yàn)證。

通過上述過程，明顯改善了風(fēng)道，最終達(dá)成了設(shè)計(jì)目標(biāo)，使各間室的溫度差值降低至1℃以內(nèi)。具體工作過程和結(jié)果如下文所示。

2.CFD仿真計(jì)算基本理論

根據(jù)流體力學(xué)基本理論，通用流體問題可以使用Navier-Stokes方程進(jìn)行描述，笛卡爾坐標(biāo)系下的具體表達(dá)式為：

以上共有5個(gè)方程，第1個(gè)方程是連續(xù)性方程，第2～4是xyz各方向上的動量方程，第5個(gè)是能量方程[2]。

從冰箱風(fēng)道問題的實(shí)際出發(fā)，可以對以上問題進(jìn)行簡化。首先，風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速較低，最大風(fēng)速約為10m/s，遠(yuǎn)低于聲速，且風(fēng)道內(nèi)溫度變化不是很大，因此可以將密度和粘度做定值常數(shù)處理，即為不可壓縮粘性流動；另外，在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，風(fēng)道內(nèi)的流動狀態(tài)不隨時(shí)間發(fā)生明顯變化，因此可以看成定常流動問題。

綜上所述，冰箱內(nèi)的空氣流動現(xiàn)象可以看成不可壓縮粘性定常流動問題，進(jìn)而可以采用如下方程進(jìn)行表述[3]：

其中

上述方程組共4個(gè)變量和4個(gè)方程，可以確定求解。

3.CFD仿真建模

本文以某款冰箱風(fēng)道為研究對象（包含送風(fēng)、回風(fēng)和各間室），以總風(fēng)量和各風(fēng)口的流量分配為關(guān)鍵評價(jià)參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)測試對CFD仿真結(jié)果的合理性進(jìn)行評價(jià)，然后通過CFD仿真方法對風(fēng)道優(yōu)化方案進(jìn)行效果評估，最終擇優(yōu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文按照CFD仿真分析流程，逐步對具體過程進(jìn)行說明。

3.1 幾何簡化和網(wǎng)格劃分

對某型號冰箱風(fēng)道進(jìn)行必要幾何簡化，得到如圖1、圖2所示的幾何模型：

幾何簡化完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。重點(diǎn)區(qū)域需要進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，間室內(nèi)大空間采用較大尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如此既可以保證計(jì)算準(zhǔn)確性，也可以節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量，提升計(jì)算速度。

網(wǎng)格劃分情況如表1所示。

其中最大長寬比位于各間室大空間內(nèi)，對流場的影響較小（主要關(guān)注流量分配，不考察間室內(nèi)細(xì)節(jié)流場形態(tài)）；網(wǎng)格正交性較好，能夠滿足計(jì)算需求。

3.2 CFD仿真模型設(shè)置

通過前面的理論分析可知，本次進(jìn)行的風(fēng)道CFD分析為穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性湍流流動問題，因此采用穩(wěn)態(tài)分析，采用定密度和定粘度的空氣屬性；風(fēng)道CFD仿真分析過程中，風(fēng)扇區(qū)域流場處理是最關(guān)鍵的，考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械特性，選用重整化群（RNG）κ-ε湍流模型，因?yàn)樵撏牧髂Ｐ捅徽J(rèn)為能夠更準(zhǔn)確地描述湍流漩渦問題，且提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動黏性的解析公式，使得它比標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度[4]；由于網(wǎng)格劃分時(shí)未進(jìn)行邊界層劃分，因此壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)避免函數(shù)進(jìn)行描述。為保證計(jì)算的穩(wěn)定性，采用基于壓力的求解方式進(jìn)行計(jì)算，并且采用simple方法求解壓力與速度的耦合關(guān)系。方程離散化時(shí)，采用基于節(jié)點(diǎn)的方式求解梯度，壓力相關(guān)項(xiàng)采用Presto格式，對流項(xiàng)選用二階迎風(fēng)格式，湍流項(xiàng)和耗散項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式。由于流場比較復(fù)雜，初始化時(shí)采用混合方式進(jìn)行。另外，本文主要以流量分配為研究目標(biāo)，忽略了換熱過程的影響，因此在仿真模型中關(guān)閉了能量方程計(jì)算功能。由于風(fēng)道中有蒸發(fā)器，采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行描述，風(fēng)速與壓強(qiáng)的關(guān)系采用參考教材《制冷原理及設(shè)備》中的公式計(jì)算獲得，然后根據(jù)軟件需求，轉(zhuǎn)化成慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)[5]。

本文采用Fluent軟件，完成如上所述的計(jì)算設(shè)置，并最終取得了收斂的計(jì)算結(jié)果。

4.仿真結(jié)果對比分析與改善分析

為了驗(yàn)證CFD仿真結(jié)果的可靠性，統(tǒng)計(jì)了各風(fēng)口的風(fēng)量，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所示。

從表2可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性，滿足仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)的基本需求。

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，上述風(fēng)量分配需要進(jìn)行一些調(diào)整，以期獲取更好的溫度均勻性。

風(fēng)扇及送風(fēng)室是整個(gè)風(fēng)道的動力源，其結(jié)構(gòu)形態(tài)及流場狀態(tài)很大程度上決定了各間室的風(fēng)量分配。本文截取了送風(fēng)室縱剖面的靜壓云圖，如圖3所示。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)2區(qū)域靜壓力明顯高于F1區(qū)域，與F2風(fēng)量明顯高于F1的現(xiàn)狀相符；更深入分析F2區(qū)域靜壓值高的原因，應(yīng)該與風(fēng)扇轉(zhuǎn)向（逆時(shí)針）、外側(cè)導(dǎo)流板及變溫室和冷藏室風(fēng)門的位置有較大關(guān)系。其中將變溫室風(fēng)門向左移動、同時(shí)冷藏風(fēng)門向左移動并適當(dāng)減小風(fēng)門面積，可以平衡F2和F1之間的風(fēng)量，且不會明顯改變F1與F2總風(fēng)量。另外，為了提升F3的風(fēng)量，最簡單的辦法就是增大F3風(fēng)口的面積，同時(shí)降低F4和F5的風(fēng)口面積。

5.溫度均勻性實(shí)驗(yàn)測試

為了說明風(fēng)道風(fēng)量分配對溫度均勻性及耗電量的影響，進(jìn)行了風(fēng)道改善前后樣機(jī)的耗電量和溫度分布實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下文所示。

5.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)該型號冰箱的銷售市場，選用25攝氏度為環(huán)境溫度，根據(jù)國標(biāo)進(jìn)行耗電量和儲溫實(shí)驗(yàn)條件，在符合國標(biāo)要求的工況實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試[6]。

本型號冰箱的冷凍室共有3個(gè)儲物抽屜，上層和中層的每個(gè)抽屜放置5個(gè)帶溫度傳感器的銅頭，下層的抽屜較小，放2個(gè)帶溫度傳感器的銅頭，如圖4所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)際樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試，得到如表3所示的溫度分布。

從表3可以看到，不管是冷凍室內(nèi)最大溫度差，還是各抽屜內(nèi)溫度差，改善后的樣機(jī)都要優(yōu)于改善前的。說明優(yōu)化后的風(fēng)道對溫度均勻性有較為明顯的改善效果，且改善后風(fēng)道的樣機(jī)具有更好的制冷效果。

另外，本實(shí)驗(yàn)還顯示，風(fēng)道優(yōu)化后，耗電量也有一定改善，如表4所示。

6.結(jié)論

本文利用CFD仿真方法，對風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化，改善了各風(fēng)口風(fēng)量的分配，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了風(fēng)量優(yōu)化方案的有效性，最終通過樣機(jī)實(shí)測，得到了冷凍室的溫度分布。結(jié)果顯示，改善后冰箱冷凍室具有良好的溫度均勻性，從而達(dá)到了節(jié)能降耗、提升產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘明，王瑤，王冬祥，陳開松.基于CFD 的冰箱風(fēng)道優(yōu)化研究.《輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量》2015第4期—53-57

[2] 傅德薰，馬延文.計(jì)算流體力學(xué).高等教育出版社，2002.7.

[3] 孔瓏等.流體力學(xué).高等教育出版社，2003.9.

[4] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué).西安交通大學(xué)出版社，2001.

[5] 吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備第二版.西安交通大學(xué)出版社，1996.7.

[6] 家用制冷器具無霜冷藏箱、無霜冷藏冷凍箱、無霜冷凍食品儲藏箱和無霜食品冷凍箱.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 8059.4-93