謝從虎 程璨 李志強(qiáng) 藍(lán)啟航 劉洪挺

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1 引言

風(fēng)冷冰箱由于容量大、制冷快、控溫精準(zhǔn)、易于分區(qū)等優(yōu)勢，日漸受到消費(fèi)者的青睞。風(fēng)機(jī)作為風(fēng)冷冰箱的核心部件之一，對其制冷性能有重要影響。離心風(fēng)機(jī)由于噪聲小、效率高等特點(diǎn)，已經(jīng)呈現(xiàn)出逐步替代軸流風(fēng)機(jī)的趨勢。但離心風(fēng)機(jī)的工作原理與軸流風(fēng)機(jī)有較大區(qū)別：經(jīng)蒸發(fā)器制冷后的冷氣由軸向流入離心風(fēng)機(jī)葉輪，通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體流向改變，從徑向吹出風(fēng)機(jī)組件。這使得離心風(fēng)機(jī)不能應(yīng)用于軸流風(fēng)機(jī)常采用的對稱型風(fēng)道，而需參考蝸殼結(jié)構(gòu)對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高出風(fēng)效率。葉增明等[1]針對蝸殼內(nèi)壁型線設(shè)計(jì)提出近似作圖法，但受制于冰箱幾何結(jié)構(gòu)限制，此方法難以完整應(yīng)用于冰箱風(fēng)道。

對于應(yīng)用離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)冷冰箱，陳慶濤等[2]對進(jìn)風(fēng)口處導(dǎo)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過調(diào)整入口直徑和防回流環(huán)的直徑來提升出風(fēng)效率并降低噪聲。朱宇龍等[3]對離心風(fēng)機(jī)入口關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，表明需要重點(diǎn)關(guān)注支架距離風(fēng)機(jī)距離、支撐腿數(shù)量、風(fēng)機(jī)入口直徑三個(gè)因素。黃興宇[4]對風(fēng)機(jī)入口處的進(jìn)口直徑、進(jìn)口深度以及進(jìn)口圓弧半徑三個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究并對風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的方案對比初始方案冷凍室最大溫差從1.7℃降至0.9℃。張波[5]等通過調(diào)整進(jìn)風(fēng)半徑和回風(fēng)面積，提升了一款小容積風(fēng)冷冰箱的性能指標(biāo)并降低了整機(jī)噪聲。陳成[6]等基于Fluent對冷藏室風(fēng)道進(jìn)行改型優(yōu)化，將冷藏室內(nèi)溫差由7.5℃降至3.8℃。

目前，國內(nèi)針對風(fēng)冷冰箱風(fēng)道的研究集中在上藏下凍型冰箱，而上凍下藏型冰箱主要為歐美、非洲等地的主流產(chǎn)品，對這類冰箱現(xiàn)有的研究偏少。隨著我國冰箱行業(yè)海外市場的迅速發(fā)展，這部分研究亟待完善。本文以配有離心風(fēng)機(jī)的上凍下藏型風(fēng)冷冰箱冷凍風(fēng)道為研究對象，采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，通過優(yōu)化冷凍風(fēng)道內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)化各出風(fēng)口風(fēng)量分配，從而提高箱內(nèi)溫度均勻性。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 物理模型

本文研究對象為一款容積為430 L的上凍下藏型風(fēng)冷冰箱，簡化后的冷凍室箱體模型如圖1所示。冷凍室中部包含一個(gè)玻璃層架，位于第二層風(fēng)口的上方。冷凍風(fēng)道組件分為前蓋板、后蓋板和風(fēng)機(jī)組件三大部分，簡化后的模型如圖2所示。前蓋板上共有四組主要出風(fēng)口，為箱內(nèi)提供冷氣，依次標(biāo)記為LU、LM、RU、RM。后蓋板上有左右兩組排水孔，也會有少量冷氣漏出，但不參與箱內(nèi)制冷，依次標(biāo)記為LD和RD。蓋板底部有去往冷藏室的出風(fēng)口，標(biāo)記為FR。

圖1 冷凍室箱體模型

圖2 冷凍風(fēng)道組件

2.2 數(shù)學(xué)模型

為適應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算，本文對箱內(nèi)空氣流動(dòng)過程做以下簡化假設(shè)：（1）箱內(nèi)空氣流動(dòng)已達(dá)穩(wěn)態(tài)，不再隨時(shí)間變化；（2）箱內(nèi)空氣為不可壓縮流體；（3）箱內(nèi)空氣在內(nèi)壁面上滿足無滑移邊界條件；（4）箱內(nèi)空氣為理想氣體?；谏鲜黾僭O(shè)，箱內(nèi)空氣流動(dòng)滿足下列方程：

連續(xù)性方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

Z方向動(dòng)量方程：

式中，u、v、w分別代表X、Y、Z方向的速度分量，ρ、p、ν、g、β、T分別代表密度、壓力、動(dòng)力粘度、重力加速度、熱膨脹系數(shù)、溫度。

2.3 計(jì)算模型

為更加準(zhǔn)確地對箱內(nèi)空氣流動(dòng)及換熱情況進(jìn)行模擬，本文對冷凍室翅片蒸發(fā)器運(yùn)用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行分析，對離心風(fēng)扇運(yùn)用MRF模型進(jìn)行分析。各部件材料按照實(shí)際進(jìn)行設(shè)置。本文采用RNG k-ε湍流模型以及可擴(kuò)展壁面函數(shù)。對連續(xù)性方程、動(dòng)量方程等的求解采用SIMPLE算法。為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，本文對不同網(wǎng)格水平下LU口出風(fēng)風(fēng)量占比與實(shí)驗(yàn)值相比較。結(jié)果如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到28.4萬時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值接近，且基本穩(wěn)定。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量與LU出風(fēng)口出風(fēng)風(fēng)量占比相關(guān)性

2.4 模型驗(yàn)證

基于已建立的仿真模型對初始對稱結(jié)構(gòu)的冷凍室風(fēng)道速度場進(jìn)行仿真分析，對四組出風(fēng)口的流量分配進(jìn)行監(jiān)控。采用風(fēng)速儀對各出風(fēng)口的風(fēng)速進(jìn)行測量，每組出風(fēng)口按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別測量多組數(shù)據(jù)，并按照面積加權(quán)得出風(fēng)量。各組出風(fēng)口測試值和仿真值的風(fēng)量分配對比如表1所示。四組出風(fēng)口的仿真值和實(shí)測值的偏差在-2.5%至2.1%之間，且都呈現(xiàn)出左側(cè)出風(fēng)量大于右側(cè)出風(fēng)量的特征。仿真結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際風(fēng)量的分配情況。對初始對稱模型的分析結(jié)果也表明，此設(shè)計(jì)左右兩側(cè)的風(fēng)量分配差值達(dá)到12%，左右兩側(cè)出風(fēng)非常不均勻。

表1 各出風(fēng)口出風(fēng)量仿真值與實(shí)驗(yàn)值對比

3 冷凍風(fēng)道速度場數(shù)值仿真及方案優(yōu)化

本文在原始方案基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化并做仿真分析對比。為提高進(jìn)風(fēng)效率，所有方案的風(fēng)機(jī)都在水平方向居中放置，位于蒸發(fā)器的中部。按風(fēng)道特征，將風(fēng)扇分成區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III。風(fēng)機(jī)按圖示視角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。出風(fēng)面速度矢量圖直觀反映了各出風(fēng)口的風(fēng)速大小和方向。在所有出風(fēng)口中，只有從上部和中部流出的冷氣參與冷凍室制冷。因此，左側(cè)出風(fēng)流量為LU出風(fēng)口和LM出風(fēng)口的流量之和，右側(cè)出風(fēng)流量為RU出風(fēng)口和RM出風(fēng)口的出風(fēng)流量之和。為便于比較箱內(nèi)左右兩側(cè)風(fēng)量，將出風(fēng)流量折算成百分比。

方案A的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖4所示。依據(jù)離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)特性，在區(qū)域II和區(qū)域III采取不對稱設(shè)計(jì)，減小左側(cè)出風(fēng)通道的尺寸。由風(fēng)道內(nèi)流線分布可知，風(fēng)道左側(cè)流線整體雜亂無章。LU出風(fēng)口空氣橫向流動(dòng)明顯且速度偏大，LM出風(fēng)口處空氣流動(dòng)偏少。對出風(fēng)面速度矢量圖進(jìn)行分析可知，LU出風(fēng)口的右部有部分冷風(fēng)橫向向左吹出，且速度較大。這部分橫向風(fēng)一方面會影響LM出風(fēng)口中部出風(fēng)的風(fēng)向，另一方面將直接吹到冷凍室左側(cè)壁面上，不能有效參與箱內(nèi)制冷。此外，由于中部出風(fēng)口與箱內(nèi)玻璃層架距離相近，LM出風(fēng)口左半部分出風(fēng)方向朝上，會直接吹到玻璃上，同樣不能有效參與箱內(nèi)制冷。左側(cè)出風(fēng)流量占比48.68%，右側(cè)出風(fēng)流量占比51.32%，左側(cè)的出風(fēng)流量較右側(cè)整體偏小2.64%，即方案A會存在左右兩側(cè)出風(fēng)流量不均的情況，且左側(cè)出風(fēng)方向不合理，無法有效參與箱內(nèi)制冷。

圖4 方案A的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

方案B的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖5所示。方案B在方案A的基礎(chǔ)上，在區(qū)域I內(nèi)風(fēng)機(jī)左上角處增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，以改變風(fēng)向。由風(fēng)道內(nèi)流線分布可知，風(fēng)道左側(cè)流線較方案A明顯有序。LU出風(fēng)口空氣橫向流動(dòng)減弱，向上出風(fēng)部分明顯增加。LM出風(fēng)口處空氣流動(dòng)明顯增加。由出風(fēng)面速度矢量圖可知，LU出風(fēng)口右部的橫向風(fēng)和LM出風(fēng)口左部向上的吹風(fēng)情況均有明顯改善。左側(cè)出風(fēng)流量占比48.79%，右側(cè)出風(fēng)流量占比51.13%，左側(cè)的出風(fēng)流量仍然較右側(cè)整體偏小2.34%。方案B仍然存在左右兩側(cè)出風(fēng)流量不均的情況，但左側(cè)出風(fēng)方向較方案A有明顯優(yōu)化。

圖5 方案B的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

方案C的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖6所示。方案C在方案B的基礎(chǔ)上，在區(qū)域III內(nèi)增大左側(cè)出風(fēng)口面積，以調(diào)整風(fēng)量分配。方案C的風(fēng)道內(nèi)流線分布情況與方案B基本類似，但LM出風(fēng)口處空氣流動(dòng)有所增加。由出風(fēng)面速度矢量圖可知，LM出風(fēng)口的出風(fēng)風(fēng)速有明顯增加，且其他出風(fēng)口的風(fēng)向沒有太大變化。由出風(fēng)流量對比可知，左右兩側(cè)流量差值縮小至0.65%。方案C基本滿足設(shè)計(jì)需求。

圖6 方案C的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

4 優(yōu)化方案的帶載溫度場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

出風(fēng)口處出風(fēng)的速度和方向直接影響箱內(nèi)的溫度分布。出風(fēng)風(fēng)速過小或出風(fēng)方向不合理將使得冷氣無法在箱內(nèi)充分循環(huán)，造成箱內(nèi)溫度分布不均勻。本文依據(jù)以上三種方案分別制作了風(fēng)道手板樣機(jī)以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。風(fēng)道分別裝配于冰箱整機(jī)上，進(jìn)行25℃環(huán)溫下帶載循環(huán)測試。為驗(yàn)證左右兩側(cè)的溫度均勻性，冷凍室內(nèi)的負(fù)載包和測溫點(diǎn)均左右對稱放置。測溫點(diǎn)選取冷凍室內(nèi)F1～F6共計(jì)6個(gè)測溫點(diǎn)，分別位于箱內(nèi)左右側(cè)的上部、中部和下部，具體位置如圖7所示。測試結(jié)果如表2所示。

圖7 負(fù)載包及測點(diǎn)放置示意圖

表2 三種方案帶載循環(huán)測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方案A冷凍室測點(diǎn)F1至F6的均溫為-18.97℃，左右兩側(cè)溫差高達(dá)3℃，均明顯高于方案B與方案C。尤其F2點(diǎn)溫度高達(dá)-15.7℃。通過速度場數(shù)值仿真可知，方案A中左側(cè)出風(fēng)流量相較右側(cè)偏小2.64%，且出風(fēng)方向不合理，冷量未能充分參與箱內(nèi)制冷，造成左側(cè)溫度整體偏高。方案B的箱內(nèi)均溫-21.28℃較方案A有明顯改善，F(xiàn)2點(diǎn)溫度也降至-18.35℃。導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)改變了出風(fēng)口的風(fēng)向，使得LU出風(fēng)口的冷風(fēng)能夠參與箱內(nèi)制冷，左側(cè)溫度整體降低。但因左側(cè)出風(fēng)流量仍較右側(cè)偏低2.34%，左右兩側(cè)仍然存在1.25℃的溫差。方案C在調(diào)整出風(fēng)口面積后，左右兩側(cè)的出風(fēng)流量差值降低至0.65%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方案C左右側(cè)溫差僅0.1℃，且箱內(nèi)均溫達(dá)最低溫度-21.5℃。

5 結(jié)論

離心風(fēng)機(jī)在應(yīng)用時(shí)通常配備蝸殼結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流，而受制于冰箱的幾何尺寸，風(fēng)道內(nèi)無法應(yīng)用完整的蝸殼結(jié)構(gòu)。因而對于采用離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)冷型冰箱，為提高風(fēng)循環(huán)效率，其風(fēng)道的幾何結(jié)構(gòu)需做特殊處理，以使得風(fēng)道出風(fēng)均勻。

（1）簡單地在風(fēng)道邊緣做左右不對稱處理，無法有效增強(qiáng)風(fēng)循環(huán)效率，反而造成兩側(cè)溫差加大。這主要是由于離心風(fēng)機(jī)徑向出風(fēng)，部分冷風(fēng)直接吹到側(cè)面箱壁上，無法有效參與箱內(nèi)制冷?；陔x心風(fēng)機(jī)的工作原理，需在出風(fēng)處增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)以改變風(fēng)向，將徑向吹出的冷風(fēng)引導(dǎo)至直吹箱內(nèi)，以提高風(fēng)循環(huán)效率。（2）各出風(fēng)口的出風(fēng)風(fēng)向調(diào)整合理后，可按照出風(fēng)流量數(shù)據(jù)，適度調(diào)整各出風(fēng)口的面積，以進(jìn)一步加強(qiáng)出風(fēng)均勻性。（3）采用優(yōu)化后的風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行帶載測試驗(yàn)證，冷凍室左右兩側(cè)的溫差可從3℃降低至0.1℃。