基于CFD分析的十字對開門冰箱性能提升研究

黃勝華 王瑤 王冬祥 張波

合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

近年來十字對開門冰箱在市場上較為暢銷，它的分區(qū)清晰、方便靈活、空間使用率更高，受到廣大消費者的青睞。市面上的十字對開門冰箱有單系統(tǒng)與多系統(tǒng)兩種，單系統(tǒng)的成本低但對風路系統(tǒng)的設計要求較高，其性能受設計水平制約較大，多系統(tǒng)理論效率更高故對設計水平要求較低，但成本較高。

本文選取公司某款單系統(tǒng)十字對開門冰箱，采用CFD分析手段對冰箱風路系統(tǒng)的流場及溫度場進行數(shù)值模擬，得到風量、換熱量等數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合實驗測試提出優(yōu)化方案，較大幅度提升冰箱性能，降低冰箱能耗。

2 冰箱原型機概況

研究載體結(jié)構(gòu)和各間室分布如圖1所示，上部為冷藏室，溫度范圍為2℃～8℃，下部為冷凍室，溫度變化范圍-16℃～-24℃，蒸發(fā)器位于冷凍室內(nèi)，冰箱采用120mm直徑的離心風機，通過風機和風門控制冷藏室和冷凍室各間室送風。

3 原型機性能分析

3.1 原型機流場及溫度場仿真

根據(jù)產(chǎn)品三維圖形建立仿真幾何模型，得到該風冷冰箱的仿真模型如圖2所示，包括冷藏室和冷凍室，整個冰箱內(nèi)部由風扇將蒸發(fā)器處的冷氣輸送至冷藏室和冷凍室，冷氣在冷藏室和冷凍室與熱空氣或者食物進行熱交換，降低間室內(nèi)部溫度后冷氣循環(huán)回蒸發(fā)器，整個循環(huán)過程在冷藏室和冷凍室設置相應出風風道及回風風道，以滿足上述需求。

本文將整個原型機流場仿真分為八個區(qū)域，包括蒸發(fā)器倉、冷藏進風風道、冷藏間室、冷藏回風風道、冷凍進風風道、冷凍間室、冷凍回風風道、旋轉(zhuǎn)風機，在關鍵界面處設置監(jiān)測面以監(jiān)測流量或其它物理量數(shù)據(jù)；仿真計算模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，對各個區(qū)域進行自適應網(wǎng)格劃分，加密模型壁面邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查保證網(wǎng)格質(zhì)量。

3.2 計算控制方程

將冰箱內(nèi)部流體近似為理想空氣、定常不可壓流動，流動過程滿足以下控制方程：

（1）連續(xù)性方程

即質(zhì)量守恒方程，單位時間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的靜質(zhì)量，若流體不可壓，密度為常數(shù)。

圖1 樣機冰箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 原型機仿真模型

圖3 原型機箱內(nèi)流場

圖4 原型機蒸發(fā)器倉空氣速度分布

表1 原型機間室流量分布

表2 蒸發(fā)器換熱量對比

表3 優(yōu)化前后耗電量對比

（2）動量守恒方程

牛頓第二定律，微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元上的各種力之和。

（3）能量守恒方程

流體微元的內(nèi)能增量等于通過熱傳導進入微元體的熱量、微元體中產(chǎn)生的熱量及周圍流體對微元體做功之和。

3.3 仿真結(jié)果分析

從圖3流場分布及表1流量分布可發(fā)現(xiàn)120mm離心風扇所提供的風量較小，風路循環(huán)效率較低，同時將上述物理量數(shù)據(jù)結(jié)果作為邊界條件輸入到蒸發(fā)器換熱仿真，蒸發(fā)器溫度設置為-22.5℃。

從圖4蒸發(fā)器倉空氣速度分布可發(fā)現(xiàn)，流速分布不均，速度場梯度較大。從圖5和圖6蒸發(fā)器倉空氣溫度分布可看出，溫度場梯度較大，冷量分布不均，蒸發(fā)器換熱效率有極大提升空間。

4 優(yōu)化方案

通過對原型機的流場及蒸發(fā)器換熱仿真，發(fā)現(xiàn)以下問題：

圖5 原型機蒸發(fā)器倉正面空氣溫度分布

圖6 原型機蒸發(fā)器倉背面空氣溫度分布

圖7 優(yōu)化方案循環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖8 優(yōu)化方案箱內(nèi)流場

圖9 優(yōu)化方案蒸發(fā)器倉空氣速度分布

圖10 優(yōu)化方案蒸發(fā)器倉正面空氣溫度分布

（1）風路系統(tǒng)整體風量偏小、阻力較大，風路循環(huán)效率較低；

（2）蒸發(fā)器倉內(nèi)的空氣速度場及溫度場梯度大，蒸發(fā)器換熱效率低。

針對以上問題點，對原方案的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，目標在于提升風路系統(tǒng)整體循環(huán)效率和蒸發(fā)器換熱效率，提升冰箱性能。根據(jù)上述思路，最終設計出圖7多風扇循環(huán)系統(tǒng)。

以原型機各間室的流量為基準，將流量結(jié)果作為邊界條件輸入到優(yōu)化方案的蒸發(fā)器換熱仿真，對比原型機與優(yōu)化方案的整體換熱效果差異，蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度設置為-22.5℃

優(yōu)化方案的蒸發(fā)器倉空氣速度場及溫度場分布更為均勻，相應的蒸發(fā)器換熱量結(jié)果如表2所示。

從表2的分布可看出，在相同流量基準下，通過對風路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整使得蒸發(fā)器的換熱更為均勻，蒸發(fā)器換熱量有了較大幅度提升，與原狀態(tài)相比蒸發(fā)器換熱量提升比例約為15%。

通過上述仿真分析，將優(yōu)化方案裝在冰箱上進行性能測試，對比驗證驗證優(yōu)化方案與原狀態(tài)的性能差異，其中優(yōu)化方案在測試過程以相同蒸發(fā)溫度為基準，進而對風扇控制程序進行相應調(diào)整。表3為原型機和優(yōu)化方案的耗電量測試對比數(shù)據(jù)，表中優(yōu)化方案的耗電量降幅明顯，與原型機的耗電量相比降幅約16%。

圖11 優(yōu)化方案蒸發(fā)器倉背面空氣溫度分布

上述對比測試結(jié)果顯示仿真優(yōu)化分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果趨勢相符，表明針對十字對開門冰箱風路系統(tǒng)的優(yōu)化思路符合預期。

5 結(jié)論

本文通過對十字對開門冰箱風路系統(tǒng)的仿真分析研究，結(jié)合試驗對比測試表明，多風扇循環(huán)風路結(jié)構(gòu)是一種高效的風路循環(huán)系統(tǒng)；多風扇風路系統(tǒng)運用風冷冰箱，可有效提升蒸發(fā)器的換熱性能，進而提升整機性能，降低冰箱能耗。

研究過程通過對冰箱內(nèi)部流場、溫度場的仿真分析，可提出合理的優(yōu)化方案，減少反復試驗的成本和時間。結(jié)果證明，CFD仿真是指導風冷冰箱性能設計的一種有效手段。