基于CFD仿真的冰箱風(fēng)道優(yōu)化研究

趙越 韓麗麗 張守杰 閆寶升

海信(山東)冰箱有限公司 山東青島 266000

0 引言

隨著制冷行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及人民生活水平的逐步提升，風(fēng)冷冰箱以不易結(jié)霜、智能化程度高、保鮮能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，更受廣大消費(fèi)者青睞[1]。如今消費(fèi)者也更加注重冰箱產(chǎn)品的能效水平；同時(shí)，國(guó)家出臺(tái)的新能效標(biāo)準(zhǔn)也促使企業(yè)不斷推出能效值更高的產(chǎn)品[2]。

對(duì)于風(fēng)冷冰箱，風(fēng)道結(jié)構(gòu)的特征決定了氣流流通效率，冷藏/冷凍風(fēng)道的設(shè)計(jì)直接影響間室溫度分布合理性及風(fēng)冷冰箱品質(zhì)[3,4]。風(fēng)道設(shè)計(jì)首先需要考慮分配到冷藏/冷凍間室的風(fēng)量，分配比例合理才能確保冷藏/冷凍間室達(dá)到預(yù)期效果；除此之外還應(yīng)考慮間室中各層風(fēng)量分配比例，以保證間室溫度均勻性；最后還需評(píng)估設(shè)計(jì)方案存在的凝露/結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)在常用的風(fēng)道設(shè)計(jì)方法是在現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，可以有效降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和開(kāi)發(fā)周期。但是原有設(shè)計(jì)方案并非完全適用于新產(chǎn)品，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法調(diào)試產(chǎn)品性能需要耗費(fèi)較多的時(shí)間成本與人力成本[5]。利用CFD（Computational Fluid Dynamics）計(jì)算流體力學(xué)仿真獲取產(chǎn)品性能，并優(yōu)化原始設(shè)計(jì)方案，已成為目前主流的產(chǎn)品預(yù)研手段。

本研究以現(xiàn)有冰箱產(chǎn)品為例，通過(guò)CFD仿真優(yōu)化冰箱風(fēng)道結(jié)構(gòu)，在盡可能不增加經(jīng)濟(jì)成本的前提下，提升產(chǎn)品能效水平，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 仿真物理/數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本研究樣機(jī)為某出口兩門(mén)冰箱，冷藏/冷凍間室均有兩層，采用軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)，產(chǎn)品截面如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品截面示意圖

抽取風(fēng)道流體域后得到本研究采用的物理模型，計(jì)算過(guò)程中對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量控制在150萬(wàn)左右，模型部分網(wǎng)格質(zhì)量如圖2所示。

圖2 本研究采用的物理模型及局部網(wǎng)格展示

1.2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于冰箱風(fēng)道流場(chǎng)仿真研究，工業(yè)設(shè)計(jì)通常只考慮控制體積內(nèi)的流動(dòng)特性，而不考慮溫度分布特性。本文采用的控制方程如下：

（1）連續(xù)性方程：

由于風(fēng)道中氣體流速較慢，馬赫數(shù)Ma＜＜1，可視為不可壓縮流體，連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為：

（2）動(dòng)量方程:

風(fēng)道中氣體流動(dòng)屬于湍流現(xiàn)象，通常采用雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程描述氣體流動(dòng)過(guò)程：

（3）初始條件及邊界條件設(shè)定:

初始條件：壓力P=101.325 kPa；溫度T=298.15 K；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速R=2400 r/min；邊界條件：Plc1=Plc2=Plc3=Plc4=Pld1=Pld2=Pld3=Pld4=Pinlet1=Pinlet2=101.325 kPa。

本研究網(wǎng)格劃分方式采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為輔的方式，風(fēng)機(jī)附近流域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，整體網(wǎng)格數(shù)約105萬(wàn)，平均網(wǎng)格質(zhì)量大于0.96。

1.1 一般資料 選取上海市浦東新區(qū)肺科醫(yī)院結(jié)核科收治的84例重癥肺結(jié)核患者，收集時(shí)間2015年1月-2017年1月，采用信封法隨機(jī)分為病例組和對(duì)照組各42例。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原始風(fēng)道設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果分析

由表1得知：冷藏間室總風(fēng)量共計(jì)3.43 m3/h，其中上層出風(fēng)量占比為81.77%。由于冷空氣的自然對(duì)流現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)冰箱風(fēng)道時(shí)，通常要求間室上層出風(fēng)占比較大，但該機(jī)型冷藏上層出風(fēng)量過(guò)大，可能引起間室溫度分布不均勻，存在一定設(shè)計(jì)問(wèn)題。

表1 原始設(shè)計(jì)方案冷藏間室風(fēng)量仿真結(jié)果

根據(jù)表2，冷凍間室總出風(fēng)量共計(jì)13.08 m3/h，上層出風(fēng)量略低于下層出風(fēng)量，但是由于該機(jī)型冷凍間室容積?。▋H47 L），間室溫度均勻性良好。

表2 原始設(shè)計(jì)方案冷凍間室風(fēng)量仿真結(jié)果

取圖3所示3個(gè)截面，觀察氣體流動(dòng)情況，分析產(chǎn)生風(fēng)阻的原因，提出相應(yīng)改善方案。圖4為初始風(fēng)道設(shè)計(jì)方案。

圖3 研究截面示意圖

圖4 初始風(fēng)道設(shè)計(jì)方案

如圖5 a)截面1的流場(chǎng)分析圖所示，風(fēng)機(jī)位置出現(xiàn)兩處渦流現(xiàn)象，上部渦流出現(xiàn)在軸流風(fēng)機(jī)與冷藏風(fēng)道之間，可以通過(guò)增加流通面積，來(lái)減少損失；但是下部渦流出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)固定支架處，無(wú)法有效消除。

圖5 研究截面流場(chǎng)圖

圖5 b)截面2處，冷藏風(fēng)道底部出現(xiàn)渦流，該處氣體流通面積小，考慮通過(guò)減薄保溫泡沫厚度，增加流通面積，以減小渦流現(xiàn)象。

除截面2渦流處外，圖5 c)截面3冷凍風(fēng)道上部出現(xiàn)渦流，通過(guò)將風(fēng)道泡沫頂部由水平結(jié)構(gòu)改為傾斜結(jié)構(gòu)，使冷凍風(fēng)道出風(fēng)更加順暢，避免氣流團(tuán)聚。

除消除渦流現(xiàn)象，考慮冷藏間室上層出風(fēng)量占比大，增大下層出風(fēng)口面積，改善風(fēng)量分配比例；同時(shí)，由于冷凍風(fēng)道較窄，適當(dāng)減小風(fēng)道泡沫厚度，增加風(fēng)道整體流通面積。

良好的風(fēng)道設(shè)計(jì)方案還需提供充足的回風(fēng)量，使回風(fēng)量與出風(fēng)量匹配，因此還需要增大冷藏間室回風(fēng)口（inlet1）面積。

2.2 改進(jìn)風(fēng)道設(shè)計(jì)方案仿真結(jié)果分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)所示，冷藏間室總風(fēng)量由原方案的3.43 m3/h提升至4.32 m3/h，提升25.95%；此外，通過(guò)加大冷藏間室下層風(fēng)口，冷藏間室上層出風(fēng)量占比由81.77%降低至70.17%，提升了冷藏間室溫度均勻性，降低了冷藏間室凝露風(fēng)險(xiǎn)。

表3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案冷藏間室風(fēng)量仿真結(jié)果

根據(jù)表4數(shù)據(jù)所示，冷凍間室總風(fēng)量由13.08 m3/h提升至15.07 m3/h，提升15.21%。總風(fēng)量由16.51 m3/h提升至19.39 m3/h，提升17.44%。

表4 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案冷凍間室風(fēng)量仿真結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的風(fēng)道取相同位置的3個(gè)截面，如圖6所示，分析氣體流動(dòng)特性及改善情況。

圖6 改進(jìn)風(fēng)道設(shè)計(jì)方案

根據(jù)圖7 a)截面1流場(chǎng)圖，在增加流通面積后，相較于圖5 a)，上部渦流改善效果顯著；圖7 b)冷藏風(fēng)道底部渦流減小直至消失；對(duì)于7 c)，下部渦流情況同樣得到改善，同時(shí)可以看出，冷藏/冷凍風(fēng)道氣體流速明顯大于圖5 c)。

圖7 改進(jìn)后的截面流場(chǎng)圖

通過(guò)仿真計(jì)算以及流場(chǎng)分析，改進(jìn)方案達(dá)到了預(yù)期效果。

2.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)研究采用GWINSTEK廠家生產(chǎn)的GPC-3030DN直流電源驅(qū)動(dòng)冰箱風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整供電電壓，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在2400 r/min，調(diào)整過(guò)程中采用PROVA RM-1501數(shù)字式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（誤差±0.04%+2），最后利用KIMO AMI310多功能測(cè)量?jī)x（誤差±2%±0.1 dgts）測(cè)定各風(fēng)口風(fēng)速。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，剔除具有顯著差異的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得到各風(fēng)口平均風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)口面積換算成為體積流量后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表5所示，仿真模擬數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表6所示。

表5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)洳?冷凍間室總風(fēng)量（4.30 m3/h/14.94 m3/h），與仿真結(jié)果（4.32 m3/h/15.07 m3/h）偏差較小分別為4.7%、8.7%；各風(fēng)口出風(fēng)量占比、層占比與仿真結(jié)果無(wú)顯著差異。冷藏、冷凍室出風(fēng)量仿真結(jié)果無(wú)顯著差異，殘差分別為0.02/0.13。

表6 仿真模擬數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某兩門(mén)冰箱風(fēng)道的CFD仿真分析，提出原有風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，并予以改進(jìn)，研究結(jié)果表明：

冷藏間室總風(fēng)量由3.43 m3/h提升至4.32 m3/h，提升25.95%，間室具有更佳的溫度均勻性以及更小的凝露風(fēng)險(xiǎn)；冷凍間室總風(fēng)量由13.08 m3/h提升至15.07 m3/h，提升15.21%；整體風(fēng)量由16.51 m3/h提升至19.39 m3/h，提升17.44%；并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文提出了一種利用CFD仿真方法優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)的思路，同時(shí)通過(guò)實(shí)例展示了如何減少風(fēng)道中氣體流動(dòng)損失，為冰箱風(fēng)道優(yōu)化研究提供了一定的參考價(jià)值。