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(lái)十字對(duì)開(kāi)門(mén)冰箱在市場(chǎng)上較為暢銷(xiāo)，它的分區(qū)清晰、方便靈活、空間使用率更高，受到廣大消費(fèi)者的青睞。市面上的十字對(duì)開(kāi)門(mén)冰箱有單系統(tǒng)與多系統(tǒng)兩種，單系統(tǒng)的成本低但對(duì)風(fēng)路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較高，其性能受設(shè)計(jì)水平制約較大，多系統(tǒng)理論效率更高故對(duì)設(shè)計(jì)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(duì)開(kāi)門(mén)冰箱，采用CFD分析手段對(duì)冰箱風(fēng)路系統(tǒng)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到風(fēng)量、換熱量等數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)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(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)和風(fēng)門(mén)控制冷藏室和冷凍室各間室送風(fēng)。

3 原型機(jī)性能分析

3.1 原型機(jī)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)仿真

根據(jù)產(chǎn)品三維圖形建立仿真幾何模型，得到該風(fēng)冷冰箱的仿真模型如圖2所示，包括冷藏室和冷凍室，整個(gè)冰箱內(nèi)部由風(fēng)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(jìn)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(gè)循環(huán)過(guò)程在冷藏室和冷凍室設(shè)置相應(yīng)出風(fēng)風(fēng)道及回風(fēng)風(fēng)道，以滿足上述需求。

本文將整個(gè)原型機(jī)流場(chǎng)仿真分為八個(gè)區(qū)域，包括蒸發(fā)器倉(cāng)、冷藏進(jìn)風(fēng)風(fēng)道、冷藏間室、冷藏回風(fēng)風(fēng)道、冷凍進(jìn)風(fēng)風(fēng)道、冷凍間室、冷凍回風(fēng)風(fēng)道、旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，在關(guān)鍵界面處設(shè)置監(jiān)測(cè)面以監(jiān)測(cè)流量或其它物理量數(shù)據(jù)；仿真計(jì)算模型網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)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(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查保證網(wǎng)格質(zhì)量。

3.2 計(jì)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(dòng)，流動(dòng)過(guò)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(shí)間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)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(jī)冰箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 原型機(jī)仿真模型

圖3 原型機(jī)箱內(nèi)流場(chǎng)

圖4 原型機(jī)蒸發(fā)器倉(cāng)空氣速度分布

表1 原型機(jī)間室流量分布

表2 蒸發(fā)器換熱量對(duì)比

表3 優(yōu)化前后耗電量對(duì)比

（2）動(dòng)量守恒方程

牛頓第二定律，微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)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(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)入微元體的熱量、微元體中產(chǎn)生的熱量及周?chē)黧w對(duì)微元體做功之和。

3.3 仿真結(jié)果分析

從圖3流場(chǎng)分布及表1流量分布可發(fā)現(xiàn)120mm離心風(fēng)扇所提供的風(fēng)量較小，風(fēng)路循環(huán)效率較低，同時(shí)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(shè)置為-22.5℃。

從圖4蒸發(fā)器倉(cāng)空氣速度分布可發(fā)現(xiàn)，流速分布不均，速度場(chǎng)梯度較大。從圖5和圖6蒸發(fā)器倉(cāng)空氣溫度分布可看出，溫度場(chǎng)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(guò)對(duì)原型機(jī)的流場(chǎng)及蒸發(fā)器換熱仿真，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

圖5 原型機(jī)蒸發(fā)器倉(cāng)正面空氣溫度分布

圖6 原型機(jī)蒸發(fā)器倉(cāng)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(chǎng)

圖9 優(yōu)化方案蒸發(fā)器倉(cāng)空氣速度分布

圖10 優(yōu)化方案蒸發(fā)器倉(cāng)正面空氣溫度分布

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

（2）蒸發(fā)器倉(cāng)內(nèi)的空氣速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)梯度大，蒸發(fā)器換熱效率低。

針對(duì)以上問(wèn)題點(diǎn)，對(duì)原方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，目標(biāo)在于提升風(fēng)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(shè)計(jì)出圖7多風(fēng)扇循環(huán)系統(tǒng)。

以原型機(jī)各間室的流量為基準(zhǔn)，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(duì)比原型機(jī)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(shè)置為-22.5℃

優(yōu)化方案的蒸發(fā)器倉(cāng)空氣速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布更為均勻，相應(yīng)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(zhǔn)下，通過(guò)對(duì)風(fēng)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(guò)上述仿真分析，將優(yōu)化方案裝在冰箱上進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)比驗(yàn)證驗(yàn)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(cè)試過(guò)程以相同蒸發(fā)溫度為基準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)風(fēng)扇控制程序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。表3為原型機(jī)和優(yōu)化方案的耗電量測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，表中優(yōu)化方案的耗電量降幅明顯，與原型機(jī)的耗電量相比降幅約16%。

圖11 優(yōu)化方案蒸發(fā)器倉(cāng)背面空氣溫度分布

上述對(duì)比測(cè)試結(jié)果顯示仿真優(yōu)化分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)相符，表明針對(duì)十字對(duì)開(kāi)門(mén)冰箱風(fēng)路系統(tǒng)的優(yōu)化思路符合預(yù)期。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)十字對(duì)開(kāi)門(mén)冰箱風(fēng)路系統(tǒng)的仿真分析研究，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試表明，多風(fēng)扇循環(huán)風(fēng)路結(jié)構(gòu)是一種高效的風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)；多風(fēng)扇風(fēng)路系統(tǒng)運(yùn)用風(fēng)冷冰箱，可有效提升蒸發(fā)器的換熱性能，進(jìn)而提升整機(jī)性能，降低冰箱能耗。

研究過(guò)程通過(guò)對(duì)冰箱內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的仿真分析，可提出合理的優(yōu)化方案，減少反復(fù)試驗(yàn)的成本和時(shí)間。結(jié)果證明，CFD仿真是指導(dǎo)風(fēng)冷冰箱性能設(shè)計(jì)的一種有效手段。