三門變溫冰箱風(fēng)道系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

夏西廳 吳義強(qiáng) 張 波

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著制冷技術(shù)的逐步發(fā)展，冰箱技術(shù)也日益成熟。三門變溫冰箱出現(xiàn)在消費(fèi)者視野中并且越來越受歡迎。三門變溫冰箱的變溫室可以寬幅變溫，既可以補(bǔ)充冷藏室空間也可以補(bǔ)充冷凍室空間，靈活性較高。風(fēng)道系統(tǒng)作為冰箱的核心部件之一，對風(fēng)量冰箱的性能有很大影響，因此，改進(jìn)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)如型線布局，風(fēng)口面積，出風(fēng)口位置等參數(shù)非常重要。

制冷循環(huán)中，蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量要通過風(fēng)道輸送到冰箱各個(gè)位置，所以風(fēng)道的總風(fēng)量以及風(fēng)道在不同間室的風(fēng)量對于冰箱的平均溫度和溫度均勻性都有較大影響。隨著CFD技術(shù)的進(jìn)步，冰箱風(fēng)道的設(shè)計(jì)優(yōu)化都可以借助CFD技術(shù)，極大的減少驗(yàn)證風(fēng)道效果需要的時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期。崔培培[1]研究了不同壁面條件下冰箱的動(dòng)態(tài)傳熱過程。王瑤[2]使用 Star CCM+ 仿真軟件對上凍下藏風(fēng)冷冰箱風(fēng)道進(jìn)行了模擬分析，并基于模擬分析結(jié)果對風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。吳光瑞[3]基于 CFD 方法研究了風(fēng)冷冰箱內(nèi)部防凝露機(jī)理及優(yōu)化方法。夏國青[4]利用CFD和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對風(fēng)冷冰箱風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究。陳秀鵬[5]仿真研究了對開門風(fēng)冷冰箱冷凍間室性能。

本文研究的對象為某型號三門變溫冰箱。該冰箱在原有箱體的基礎(chǔ)上，減薄了門體與泡層，增大間室空間。與此同時(shí)熱負(fù)荷加大，能耗增加。為了克服這個(gè)問題，需要改善風(fēng)道效率。本文通過仿真手段對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)是提升總風(fēng)量及改善間室溫度均勻性。

1 模型介紹

1.1 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)冷冰箱其制冷過程為被蒸發(fā)器冷卻的空氣通過風(fēng)道借助風(fēng)扇動(dòng)力,從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入各個(gè)間室,再經(jīng)過回風(fēng)風(fēng)道回到蒸發(fā)器底部。間室內(nèi)的空氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)。湍流狀態(tài)下N-S方程比層流狀態(tài)多出擾動(dòng)項(xiàng)，利用k-ε模型求解。冰箱內(nèi)空氣的流動(dòng)符合各守恒方程。包括物質(zhì)守恒，動(dòng)量守恒，能量守恒方程。

低速的空氣（Ma＜0.3）可被認(rèn)為是不可壓縮流體。穩(wěn)定狀態(tài)下箱內(nèi)物性參數(shù)波動(dòng)較小可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)。所以情況可簡化為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)。冰箱內(nèi)不存在質(zhì)量源項(xiàng)。因此微分形式的空氣流動(dòng)連續(xù)性方程為：

動(dòng)量守恒方程，是牛頓第二定律應(yīng)用于不可壓縮牛頓流體單位體積流體元的表達(dá)式，其物理意義是：

質(zhì)量X加速度（慣性力）=體積力+壓差力（壓力梯度）+粘性力（粘性應(yīng)力散度）

方程表達(dá)式為：

式中：

ρ—流體密度；

τ—粘性力；

v —流體速度；

F —體積力；

P —壓力。

1.2 物理模型

圖1為本文研究對象某型號三門變溫冰箱的幾何模型，其中圖1（a）為整體圖，冰箱總高是17 50 mm，寬是600 mm。間室布局為上冷藏中間變溫下冷凍。圖1（b）為原型機(jī)后背風(fēng)道視圖，由冷凍室向變溫室送風(fēng)的送風(fēng)接頭布局在側(cè)邊。

使用UG軟件建立風(fēng)道系統(tǒng)模型，提取模型中的空氣域作為計(jì)算空間。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對模型進(jìn)行了一定簡化，取消了一些細(xì)小突變。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，各風(fēng)口取消邊界層。劃分網(wǎng)格，如圖2（b），最終網(wǎng)格數(shù)量1 700萬，仿真過程風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1 800 r/min。

2 結(jié)果分析

利用上述模型，對上述風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。原型機(jī)總風(fēng)量為14.81 g/s，其中冷藏室風(fēng)量2.52 g/s，占比17 %，變溫室風(fēng)量2.67 g/s，占比18 %，冷凍室風(fēng)量9.62 g/s，占比65 %。變溫室風(fēng)量占比偏低且總風(fēng)量不足。根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算，優(yōu)化后循環(huán)風(fēng)量需要提升15 %左右。由于變溫冷凍一起制冷，當(dāng)變溫室達(dá)到-18 ℃檔位時(shí)容易造成冷凍室溫度過低，所以變溫室風(fēng)量占比也需提升。根據(jù)原型機(jī)流場分析結(jié)果，對原型機(jī)進(jìn)行如下優(yōu)化：冷凍向上送風(fēng)的接頭布置在側(cè)邊，這種送風(fēng)方式由于送風(fēng)路徑彎折過大會(huì)導(dǎo)致存在流體渦旋，造成能量耗散，不利于送風(fēng)。所以改進(jìn)方案將冷凍向上送風(fēng)接頭布置在中心位置。為了送風(fēng)順暢，對于每一個(gè)間室，都要求回風(fēng)口總面積大于送風(fēng)口總面積。排查各間室風(fēng)口面積，發(fā)現(xiàn)原型機(jī)變溫室回風(fēng)面積過小，故增加了變溫室出風(fēng)面積。為改善回風(fēng)溫度均勻性，將冷藏變溫回風(fēng)風(fēng)道由同側(cè)布置改為兩側(cè)布置。原型機(jī)冷凍風(fēng)道型線布局導(dǎo)致多處存在渦旋，進(jìn)行重新布局。

按照上述方式改進(jìn)原型機(jī)。對改進(jìn)方案進(jìn)行仿真，基于仿真結(jié)果不斷迭代優(yōu)化改進(jìn)方案，最終得到較為理想的風(fēng)道圖紙。圖3為不同版本迭代過程中風(fēng)量變化，從初始原型機(jī)版本到最終版本，總風(fēng)量由14.81 g/s提升到16.93 g/s。圖4（b）為改進(jìn)方案后背風(fēng)道視圖。圖5為原型機(jī)與改進(jìn)方案的冷凍風(fēng)道型線對比圖。

改進(jìn)后，原型機(jī)與改進(jìn)方案的風(fēng)量對比如圖6所示，新型方案總風(fēng)量16.93 g/s，冷藏室風(fēng)量2.85 g/s，占比17%。變溫室風(fēng)量1.72 g/s，占比22 %。冷凍室風(fēng)量10.4 g/s，占比61 %。從原型機(jī)到改進(jìn)方案，總風(fēng)量提升了14.3 %，變溫室風(fēng)量提升了37.8 %。在總風(fēng)量得到提升的同時(shí)，變溫風(fēng)量的占比被特別增強(qiáng)，有助于改善間室溫度分布的均勻性。

圖7為原型機(jī)與改進(jìn)方案的溫度場對比，原型機(jī)存在的問題是溫度分布不均以及冷凍室溫度過低，冷凍室溫度過低易引起風(fēng)罩結(jié)冰，風(fēng)門凍住等一系列問題。可以看出，改進(jìn)方案冷藏室溫度分布更加均勻，冷凍室最低溫度有所提高，改善了冷凍室過冷的問題。

3 結(jié)論

通過對某型號三門變溫冰箱三維建模，數(shù)值仿真，基于流場分析結(jié)果，對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，冷凍向上送風(fēng)接頭位置由側(cè)邊改為中間布置，增加了變溫室回風(fēng)面積，重新設(shè)計(jì)了冷凍風(fēng)道型線，回風(fēng)風(fēng)道由同側(cè)布置改為兩側(cè)布置。經(jīng)過優(yōu)化，總風(fēng)量由14.81 g/s提升到16.93 g/s，總風(fēng)量提升了14.3 %，變溫間室風(fēng)量由2.67 g/s提升到3.68 g/s，提升了37.8 %。總風(fēng)量得到較大提升，變溫室的風(fēng)量得到特別加強(qiáng)，改善了間室溫度均勻性，改善了冷凍室溫度過低問題。利用CFD方式對風(fēng)道設(shè)計(jì)優(yōu)化，冰箱的總風(fēng)量及溫度分布均得到很大的改善。