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1、30 2013 年 05 月日用电器 技术创新Technology and Innovation 引言 近年来，随着人们生活水平的提高以及环境意识的 增强，对电冰箱的要求从满足低温制冷储存向食物的保 鲜性能转移。对于风冷冰箱，食物的保鲜性能在很大程 度上取决于风冷冰箱储藏室内气流循环及箱内温差。箱 内气流循环合理，温差越小，则冰箱的保鲜性能越好。 目前，国内外对冰箱温度均匀性进行了大量研究， 采用 DPIV 粒子成像技术对冰箱内部流场进行实验研 究 1-4，展示了箱体内结构布局和出风口布局对各间隔 室内流速和流量的影响 , 但 PIV 技术成本太高，试验周 期和检测过程也很长；上海交通大学丁国
2、良等 5 通过 CFD 分析冰箱存在的温度不均匀性 , 提出增添轴流式风 扇并优化出风口截面形状等；台湾明道大学杨恺祥等 6 采用 EFD.Lab 研究重力作用和风口布局对箱内流场和温 基于 Fluent 的风冷冰箱的风道结构优化设计 陈 成 刘志峰 罗 建 王 正 ( 合肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 230009) 度场的影响。然而，研究风冷冰箱风道对冰箱保鲜性能 影响的论文尚不多见。因此，本文研究风道系统对风冷 冰箱保鲜性能的影响规律，以改善箱内温度均匀性，并 通过试验验证了方法的合理性及可行性。 1 实验测试 1.1 实验目的 对装有原风道风冷冰箱的冷藏室布点进行温度测量， 以获取
3、其内部温度分布情况。 对实验结果进行研究分析， 以便与装有改型优化后的风道所测得的冷藏室布点温度 进行比较。 1.2 设备与测试方法 采用 WZPJ-1874-PT100 热电偶式温度传感器测量箱 内温度。为方便测量及温度场分析，把风冷冰箱的冷藏 简介：风冷冰箱的保鲜性能很大程度上取决于箱内气流循环及温差。论文以某款风冷冰箱为研究对象，利用 Fluent 软件对其风道和冷藏室进行三维内流场数值模拟及相关实验，找出影响箱内温差的相关因素。通过修 改出风道形状、风口布局、出风方式等参数对风道进行改型优化。试验结果表明：风道优化后温差由 7.5 降为 3.8，保鲜性能得到改善。 关键字：保鲜性能；风
4、道结构；Fluent；改型优化 Abstract：Air-cooled refrigerator temperature uniformity to a large extent depends on its stor- age room air circulation and range of temperature. In order to figure out the related factors which affect the range of temperature, the paper takes a particular air cooled refrigerator as
5、the research object, uses Fluent to simulate internal flow field of duct and cold storage and conducts some related experiments. By means of modifying airflow structure, tuyere layout and way of outlet, it modifies and optimizes air duct structure. The result shows that after ret- rofit design, the
6、temperature difference reduced to 3.8 from 7.5 and cold storage tempera- ture uniformity was greatly improved. Key words：temperature uniformity；air duct structure；fluent；retrofit design The Optimization Design of Air-cooled Refrigerator Duct Based on Fluent May.2013 31Electrical Appliances 技术创新 日用电器
7、 室分为 4 个区域，分别为上层、中间层、下层和果菜盒， 如图 1 所示。根据 ISO 7371 有关规定，温度测量时的环 境温度 Tdb=301，相对湿度 RH=755%，冰箱在环 温下开机运行 24 小时经历一次以上开、停机并达到稳定 状态，箱体内部同一点等温检测温度波动达到小于 0.2 时开始进行测量。 对于冷藏室布点规则，要求每一层的布点位置在竖 直方向上均位于该层的中间位置，为减小壁面对温度的 影响， 靠近壁面周围测温点位置距壁面为352mm， 上层、 中间层和下层布点方式一样，共布置 9 个测温点。果菜 盒为封闭空间， 在左右两个盒内各布置2个测温点， 另外， 每一层的瓶框内各布置
8、一个点。各层布点情况如图 2 所 示。 1.3 实验结果与分析 按照测试方法要求共测试五次，取五次测试结果算 术平均值，结果如表 1 所示。 按国标（GB/T8059 ）取各层平均值，则可得： 上层平均温度T上为： 11 1 1 1 =9.5 11 i i TT 上 同理可得中间层、下层以及果菜盒各层平均温度， 分别为： =6.0T中；=3.8T下；=2.0T果。 由实验结果可知： 1) 装有原始风道的储藏室各层平均温度由上层向下 层逐渐降低。 2) 除果菜盒之外，整个箱体内部贴近壁面四围温度 偏高，内部温度偏低。 3) 从整个冷藏室内温度梯度可以看出，由上到下温 度逐渐降低且梯度越来越小，壁
9、面向内部温度逐渐降低 且温度梯度逐渐增大。 2 Fluent 分析计算 2.1 物理模型 该风冷冰箱冷藏室结构如图 3 所示。除去了隔板， 瓶框，搁架后总体积约为 0.2 m3 。风道结构如图 4 所示 为左右对称结构，实际工作时冷风从冷藏风道进风口经 冷藏风道输送至箱体，再由下部回风口流出。风道上出 风口对应冷藏室进风口。 上层 中间层 下层 果菜盒 图 1 储藏室结构图 图 2 各层布点示意图 单位 :左后中后右后左中中中右中左前中前右前左瓶框右瓶框 上层11.99.811.38.87.99.29.59.38.99.18.8 中间层7.44.46.14.24.66.15.54.88.28.
10、46.4 下层4.53.84.24.52.84.23.83.73.23.53.2 果菜盒2.62.82.22.43.02.0 表 1 实验测试各点温度值 注：所有温度均为 5 次测试结果的算术平均值 32 2013 年 05 月日用电器 技术创新Technology and Innovation 2.2 数学模型 由于物理模型自身的复杂性 , 在建立数值计算模型时 做出如下假设 7： (1) 在稳态工况下分析计算研究对象的温度场和流场 分布 , 因此所有微分方程中忽略时间项的影响。 (2) 计算时通过实验获取各壁面温度，因此边界条件 为第一类边界条件。 (3) 忽略冰箱箱体内相变过程，认为冰箱
11、箱体内的空 气是干空气且为牛顿流体，定压比热容为定值。 (4) 箱体内空气流动形式为稳定层流和非边界层型流 动。 (5) 箱体内空气在固体内壁面上满足无滑移边界条件。 (6) 满足 Boussinesq 假设，即：流体中的粘性耗散忽 略不计； 除密度外，其它物性为常数，密度仅考虑动量 方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度作为常数处 理。运动模型选择三维定常湍流模型，对于低速流动不考 虑气体的粘性，介质模型为正压流体模型。所采用的质量 守恒方程和动量守恒方程的矢量表达式如式 （1） 和式 （2） ： uv V xyz （1） D VfP Dt （2） 数值计算采用直角坐标系，故把上式 1-2
12、 转化为直角 坐标系下的标量方程： 0 uv xyz （3） 1 x uuuuP vf txyzx （4） 1 y vvvvP vf txyzy （5） 1 z P vf txyzz （6） 1 z P vf txyzz （7） 上式中u、v、表示三个方向的速度， x f 、 y f、 z f表示体积力沿三个方向的分量，P表示压强，表示 密度。共计 4 个偏微分方程，4 个未知量，即方程组为封 闭式方程组，采用数值解法可以得到准确解。 2.3 网格划分 冷藏箱体以及风道结构模型采用 Hypermesh 进行结构 网格划分，由于不同部件网格划分完成之后可能无法实现 网格节点一一对应，因此部件间的
13、网格交界面用 interface 做交界面连接。箱体网格总数约为 210 万，风道结构网格 总数约为 35 万，检查网格质量，质量满足要求之后设定 相关参数，风道模型进口边界条件为压力入口 30pa，残差 收件精度 10-6 ，出口边界直接与空气接通。根据箱体内流 动特性内部流动为低雷诺数湍流，故运动模型选择三维定 常湍流模型。对于低速流动不考虑气体的粘性，介质模型 为正压流体模型，参数设置完成后开始进行仿真运算。 2.4 仿真计算与分析 模拟仿真的结果如图 5 所示。 2.4.1 流线分析 原始风道内流场流线如图 5(a) 所示，分析流线图可知： （1）由于入口处除臭剂装置的存在，导致进风口
14、处 产生两个涡流，且涡流中心处流线密集、流速高。 （2）进风口出涡流的存在导致箱体下层冷量分配较 多，平均温度较低，出风口周围存放的食物容易发生风干 现象。 （3）流线在两对称的侧风道上部出现断裂，且流线 密度急剧降低、流速降低，从而导致上部对流换热减弱， 平均温度较下部偏高。 （4）虽然风道在设计时考虑到可能出现上层冷量分 图 3 冷藏室三维模型图 4 冷藏风道三维模型 May.2013 33Electrical Appliances 技术创新 日用电器 配较少，在两个对称侧风道的上部进行节流增压设计， 但是增压凹槽使对称侧风道内流线发生急剧扭曲，湍流 特性更加明显。左侧顶部出风口流线稀疏、
15、流速缓慢等 现象。 箱体内流场流线如图 5(b) 所示，分析可得： （1）流线的密度和方向表明左侧门上部瓶框内基本 无流线，即此处风速最低，由此判定在制冷过程中此处 的换热方式以自然对流为主， 换热速度慢、 冷量分配少， 温度较高。 （2）整个箱体内流线呈现出四周稀疏、中间密集， 由上至下逐渐变密。中间面速度云图 5(c) 显示箱体中下 部流速较上部偏高，且高速流动面积较大，导致上部强 制对流换热较弱，因而箱体内部的温度分布为四周高、 中间低，上部高、下部低。 2.4.2 流量分配和流速统计 各出风口流量与流速统计如表 2 所示。 由流量统计数据可得，各层流量分配比例为 33%， 23%，27% 和 17%，上层冷量所占比例较小，从而导致 上层温度偏高，下层偏冷温度严重不均匀现象；两侧风 道出风口流量基本相同。 综合流线分析和流量数据可得：上层平均温度偏高 原因为上层分配的流量较小，箱体上层流线密度稀疏等； 在流线稀疏区以自然对流换热为主，而密集区域以强制 对流换热为主；箱体内温度梯度呈现出由四周箱内部逐 渐降低，由顶部向底部逐渐降低的趋势。由此可见，风 道结构是影响出风口流量的关键因
