基于CFD仿真的冰箱風道優化研究

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

隨著制冷行業的蓬勃發展以及人民生活水平的逐步提升，風冷冰箱以不易結霜、智能化程度高、保鮮能力強等突出優點，更受廣大消費者青睞[1]。如今消費者也更加注重冰箱產品的能效水平；同時，國家出臺的新能效標準也促使企業不斷推出能效值更高的產品[2]。

對于風冷冰箱，風道結構的特征決定了氣流流通效率，冷藏/冷凍風道的設計直接影響間室溫度分布合理性及風冷冰箱品質[3,4]。風道設計首先需要考慮分配到冷藏/冷凍間室的風量，分配比例合理才能確保冷藏/冷凍間室達到預期效果；除此之外還應考慮間室中各層風量分配比例，以保證間室溫度均勻性；最后還需評估設計方案存在的凝露/結霜風險。

現在常用的風道設計方法是在現有產品設計方案的基礎上加以改進，可以有效降低設計風險和開發周期。但是原有設計方案并非完全適用于新產品，通過實驗方法調試產品性能需要耗費較多的時間成本與人力成本[5]。利用CFD（Computational Fluid Dynamics）計算流體力學仿真獲取產品性能，并優化原始設計方案，已成為目前主流的產品預研手段。

本研究以現有冰箱產品為例，通過CFD仿真優化冰箱風道結構，在盡可能不增加經濟成本的前提下，提升產品能效水平，為新產品開發提供借鑒。

1 仿真物理/數學模型

1.1 物理模型

本研究樣機為某出口兩門冰箱，冷藏/冷凍間室均有兩層，采用軸流風機送風，產品截面如圖1所示。

圖1 產品截面示意圖

抽取風道流體域后得到本研究采用的物理模型，計算過程中對網格獨立性驗證，最終計算模型網格數量控制在150萬左右，模型部分網格質量如圖2所示。

圖2 本研究采用的物理模型及局部網格展示

1.2 數學模型

對于冰箱風道流場仿真研究，工業設計通常只考慮控制體積內的流動特性，而不考慮溫度分布特性。本文采用的控制方程如下：

（1）連續性方程：

由于風道中氣體流速較慢，馬赫數Ma＜＜1，可視為不可壓縮流體，連續性方程可簡化為：

（2）動量方程:

風道中氣體流動屬于湍流現象，通常采用雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程描述氣體流動過程：

（3）初始條件及邊界條件設定:

初始條件：壓力P=101.325 kPa；溫度T=298.15 K；風機轉速R=2400 r/min；邊界條件：Plc1=Plc2=Plc3=Plc4=Pld1=Pld2=Pld3=Pld4=Pinlet1=Pinlet2=101.325 kPa。

本研究網格劃分方式采用結構化網格為主，非結構化網格為輔的方式，風機附近流域進行網格加密處理，整體網格數約105萬，平均網格質量大于0.96。

1.1 一般資料 選取上海市浦東新區肺科醫院結核科收治的84例重癥肺結核患者，收集時間2015年1月-2017年1月，采用信封法隨機分為病例組和對照組各42例。

2 仿真及實驗結果分析

2.1 原始風道設計方案仿真結果分析

由表1得知：冷藏間室總風量共計3.43 m3/h，其中上層出風量占比為81.77%。由于冷空氣的自然對流現象，在設計冰箱風道時，通常要求間室上層出風占比較大，但該機型冷藏上層出風量過大，可能引起間室溫度分布不均勻，存在一定設計問題。

表1 原始設計方案冷藏間室風量仿真結果

根據表2，冷凍間室總出風量共計13.08 m3/h，上層出風量略低于下層出風量，但是由于該機型冷凍間室容積小（僅47 L），間室溫度均勻性良好。

表2 原始設計方案冷凍間室風量仿真結果

取圖3所示3個截面，觀察氣體流動情況，分析產生風阻的原因，提出相應改善方案。圖4為初始風道設計方案。

圖3 研究截面示意圖

圖4 初始風道設計方案

如圖5 a)截面1的流場分析圖所示，風機位置出現兩處渦流現象，上部渦流出現在軸流風機與冷藏風道之間，可以通過增加流通面積，來減少損失；但是下部渦流出現在風機固定支架處，無法有效消除。

圖5 研究截面流場圖

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

除截面2渦流處外，圖5 c)截面3冷凍風道上部出現渦流，通過將風道泡沫頂部由水平結構改為傾斜結構，使冷凍風道出風更加順暢，避免氣流團聚。

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

良好的風道設計方案還需提供充足的回風量，使回風量與出風量匹配，因此還需要增大冷藏間室回風口（inlet1）面積。

2.2 改進風道設計方案仿真結果分析

根據表3數據所示，冷藏間室總風量由原方案的3.43 m3/h提升至4.32 m3/h，提升25.95%；此外，通過加大冷藏間室下層風口，冷藏間室上層出風量占比由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險。

表3 改進設計方案冷藏間室風量仿真結果

根據表4數據所示，冷凍間室總風量由13.08 m3/h提升至15.07 m3/h，提升15.21%。總風量由16.51 m3/h提升至19.39 m3/h，提升17.44%。

表4 改進設計方案冷凍間室風量仿真結果

對改進后的風道取相同位置的3個截面，如圖6所示，分析氣體流動特性及改善情況。

圖6 改進風道設計方案

根據圖7 a)截面1流場圖，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)冷藏風道底部渦流減小直至消失；對于7 c)，下部渦流情況同樣得到改善，同時可以看出，冷藏/冷凍風道氣體流速明顯大于圖5 c)。

圖7 改進后的截面流場圖

通過仿真計算以及流場分析，改進方案達到了預期效果。

2.3 改進設計方案實驗設計及結果分析

實驗研究采用GWINSTEK廠家生產的GPC-3030DN直流電源驅動冰箱風機運轉，通過調整供電電壓，使風機轉速維持在2400 r/min，調整過程中采用PROVA RM-1501數字式轉速計測定風機轉速（誤差±0.04%+2），最后利用KIMO AMI310多功能測量儀（誤差±2%±0.1 dgts）測定各風口風速。

通過多次實驗，剔除具有顯著差異的實驗數據，最終得到各風口平均風速，根據風口面積換算成為體積流量后的實驗測試結果如表5所示，仿真模擬數值與實驗測試結果對比如表6所示。

表5 實驗測試結果

實驗測試冷藏/冷凍間室總風量（4.30 m3/h/14.94 m3/h），與仿真結果（4.32 m3/h/15.07 m3/h）偏差較小分別為4.7%、8.7%；各風口出風量占比、層占比與仿真結果無顯著差異。冷藏、冷凍室出風量仿真結果無顯著差異，殘差分別為0.02/0.13。

表6 仿真模擬數值與實驗測試結果對比

3 結論

通過對某兩門冰箱風道的CFD仿真分析，提出原有風道結構設計缺陷，并予以改進，研究結果表明：

冷藏間室總風量由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險；冷凍間室總風量由13.08 m3/h提升至15.07 m3/h，提升15.21%；整體風量由16.51 m3/h提升至19.39 m3/h，提升17.44%；并通過實驗測試，驗證仿真結果的準確性。本文提出了一種利用CFD仿真方法優化風道結構的思路，同時通過實例展示了如何減少風道中氣體流動損失，為冰箱風道優化研究提供了一定的參考價值。