CFD仿真在冰箱開發中的應用

朱小兵 孟亮 陳忠峻

摘要：在風冷冰箱開發過程中，風道是一個最核心的功能部件。風道的優劣直接影響冰箱制冷能力、保鮮效果、能耗多少等關鍵指標，因此，對風道進行優化設計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道優劣的一個關鍵性指標，本文選用該指標為風道優劣評價指標，并將其作為風道優化設計的目標。為保證各間室內的溫度均勻性和制冷效果，各風口位置和風量大小或配比是非常關鍵的設計參數。

關鍵詞：冰箱；風道；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

在風冷冰箱開發過程中，風道是一個最核心的功能部件。風道的優劣直接影響冰箱制冷能力、保鮮效果、能耗多少等關鍵指標，因此，對風道進行優化設計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道優劣的一個關鍵性指標，本文選用該指標為風道優劣評價指標，并將其作為風道優化設計的目標。為保證各間室內的溫度均勻性和制冷效果，各風口位置和風量大小或配比是非常關鍵的設計參數。為了提高達成設計目標的準確性，CFD仿真技術的應用在行業內已經非常廣泛[1]。

與直冷冰箱相比，風冷冰箱的能耗及噪聲主要由風道系統與制冷系統決定，其中風道系統的性能優劣直接影響了制冷系統的效率高低[1]。本文首先通過對風道進行CFD分析，得到各間室風口的流量和配比，并通過與實驗測試結果比較，進行仿真模型校準。待模型調試成功后，利用該CFD仿真結果，分析風道設計過程中可能存在的問題，并制定多個改善方案。然后通過CFD仿真的方法，進行方案有效性驗證，篩選出優選改善方案后，通過試制樣機溫度分布實驗測試，對改善效果進行最終驗證。

通過上述過程，明顯改善了風道，最終達成了設計目標，使各間室的溫度差值降低至1℃以內。具體工作過程和結果如下文所示。

2.CFD仿真計算基本理論

根據流體力學基本理論，通用流體問題可以使用Navier-Stokes方程進行描述，笛卡爾坐標系下的具體表達式為：

以上共有5個方程，第1個方程是連續性方程，第2～4是xyz各方向上的動量方程，第5個是能量方程[2]。

從冰箱風道問題的實際出發，可以對以上問題進行簡化。首先，風道內的風速較低，最大風速約為10m/s，遠低于聲速，且風道內溫度變化不是很大，因此可以將密度和粘度做定值常數處理，即為不可壓縮粘性流動；另外，在穩定運行的狀態下，風道內的流動狀態不隨時間發生明顯變化，因此可以看成定常流動問題。

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

其中

上述方程組共4個變量和4個方程，可以確定求解。

3.CFD仿真建模

本文以某款冰箱風道為研究對象（包含送風、回風和各間室），以總風量和各風口的流量分配為關鍵評價參數，并通過實驗測試對CFD仿真結果的合理性進行評價，然后通過CFD仿真方法對風道優化方案進行效果評估，最終擇優進行實驗驗證。

本文按照CFD仿真分析流程，逐步對具體過程進行說明。

3.1 幾何簡化和網格劃分

對某型號冰箱風道進行必要幾何簡化，得到如圖1、圖2所示的幾何模型：

幾何簡化完成后，進行網格劃分。重點區域需要進行網格加密處理，間室內大空間采用較大尺寸進行網格劃分，如此既可以保證計算準確性，也可以節省網格數量，提升計算速度。

網格劃分情況如表1所示。

其中最大長寬比位于各間室大空間內，對流場的影響較小（主要關注流量分配，不考察間室內細節流場形態）；網格正交性較好，能夠滿足計算需求。

3.2 CFD仿真模型設置

通過前面的理論分析可知，本次進行的風道CFD分析為穩態不可壓縮粘性湍流流動問題，因此采用穩態分析，采用定密度和定粘度的空氣屬性；風道CFD仿真分析過程中，風扇區域流場處理是最關鍵的，考慮旋轉機械特性，選用重整化群（RNG）κ-ε湍流模型，因為該湍流模型被認為能夠更準確地描述湍流漩渦問題，且提供了一個考慮低雷諾數流動黏性的解析公式，使得它比標準κ-ε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度[4]；由于網格劃分時未進行邊界層劃分，因此壁面附近采用標準避免函數進行描述。為保證計算的穩定性，采用基于壓力的求解方式進行計算，并且采用simple方法求解壓力與速度的耦合關系。方程離散化時，采用基于節點的方式求解梯度，壓力相關項采用Presto格式，對流項選用二階迎風格式，湍流項和耗散項采用一階迎風格式。由于流場比較復雜，初始化時采用混合方式進行。另外，本文主要以流量分配為研究目標，忽略了換熱過程的影響，因此在仿真模型中關閉了能量方程計算功能。由于風道中有蒸發器，采用多孔介質模型進行描述，風速與壓強的關系采用參考教材《制冷原理及設備》中的公式計算獲得，然后根據軟件需求，轉化成慣性阻力系數和粘性阻力系數[5]。

本文采用Fluent軟件，完成如上所述的計算設置，并最終取得了收斂的計算結果。

4.仿真結果對比分析與改善分析

為了驗證CFD仿真結果的可靠性，統計了各風口的風量，并與實驗結果進行對比，如表2所示。

從表2可以看出，仿真結果與實驗結果具有較好的吻合性，滿足仿真指導設計的基本需求。

根據以往的工程經驗，上述風量分配需要進行一些調整，以期獲取更好的溫度均勻性。

風扇及送風室是整個風道的動力源，其結構形態及流場狀態很大程度上決定了各間室的風量分配。本文截取了送風室縱剖面的靜壓云圖，如圖3所示。

從圖3中可以發現，F2區域靜壓力明顯高于F1區域，與F2風量明顯高于F1的現狀相符；更深入分析F2區域靜壓值高的原因，應該與風扇轉向（逆時針）、外側導流板及變溫室和冷藏室風門的位置有較大關系。其中將變溫室風門向左移動、同時冷藏風門向左移動并適當減小風門面積，可以平衡F2和F1之間的風量，且不會明顯改變F1與F2總風量。另外，為了提升F3的風量，最簡單的辦法就是增大F3風口的面積，同時降低F4和F5的風口面積。

5.溫度均勻性實驗測試

為了說明風道風量分配對溫度均勻性及耗電量的影響，進行了風道改善前后樣機的耗電量和溫度分布實驗測試，實驗方法和實驗結果如下文所示。

5.1 實驗方案設計

根據該型號冰箱的銷售市場，選用25攝氏度為環境溫度，根據國標進行耗電量和儲溫實驗條件，在符合國標要求的工況實驗室內進行測試[6]。

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

5.2 實驗結果分析

通過實際樣機的實驗測試，得到如表3所示的溫度分布。

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

另外，本實驗還顯示，風道優化后，耗電量也有一定改善，如表4所示。

6.結論

本文利用CFD仿真方法，對風道進行了優化，改善了各風口風量的分配，并通過實驗驗證了風量優化方案的有效性，最終通過樣機實測，得到了冷凍室的溫度分布。結果顯示，改善后冰箱冷凍室具有良好的溫度均勻性，從而達到了節能降耗、提升產品品質的目的。

參考文獻

[1] 鐘明，王瑤，王冬祥，陳開松.基于CFD 的冰箱風道優化研究.《輕工標準與質量》2015第4期—53-57

[2] 傅德薰，馬延文.計算流體力學.高等教育出版社，2002.7.

[3] 孔瓏等.流體力學.高等教育出版社，2003.9.

[4] 陶文銓.數值傳熱學.西安交通大學出版社，2001.

[5] 吳業正.制冷原理及設備第二版.西安交通大學出版社，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準.GB/T 8059.4-93