江俊 施紅玉 任偉
合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601
隨著我國房價的日益增長及生活水平的不斷提高,人們對于冰箱所占空間及擺放位置的要求越來越高,因此嵌入式冰箱的流行程度日趨提升,目前市場絕大部門冰箱企業(yè)都發(fā)布了自己的嵌入式的冰箱產(chǎn)品。嵌入式的產(chǎn)品總體的外觀尺寸是固定的,為了盡量節(jié)省其頂部或背部空間,將主控板及變頻板置于機械室內(nèi)勢在必行。但由此導致的機械室溫升問題也對應提出,故其機械室溫度場仿真設計及優(yōu)化成為冰箱研發(fā)過程中的重要課題。
我司某型號冰箱在進行機械室設計過程中,由于主控板及變頻板安裝位置及風扇等組件的空間布局不合理,進行了多次實驗及修改,最終耗費較多人力物力才完成該設計。為了解決在設計過程中的時間、材料及人力成本的浪費,本文利用計算流體力學方法[1],并結(jié)合紅外成像設備采用多參數(shù)修正,具體量化計算了機械室內(nèi)部所有空間的溫度分布,分析得到了冰箱機械室內(nèi)的主要影響熱源,并將計算誤差控制在5%以內(nèi)。
本文采用3D物理建模,對我司某冰箱機械室進行1:1流體域抽取,并增加固體泡層,如圖1所示。
在建立物理結(jié)構(gòu)模型之后,需要對模型進行區(qū)域離散化。網(wǎng)格劃分是CFD技術的前處理基礎,其質(zhì)量和數(shù)量直接決定計算成本和計算精度。由于本文所研究結(jié)構(gòu)較為復雜,非結(jié)構(gòu)性部件較多,所以采用多面體網(wǎng)格對流體域進行空間離散,并在風扇及其他流速較高位置進行網(wǎng)格加密處理,如圖2所示。最后進行網(wǎng)格無關性驗證,不同網(wǎng)格計算所得結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)[2]。
在采用CFD方法時,需要對數(shù)學模型進行合理的選擇簡化,進而保證模擬計算結(jié)果的準確性及可靠性。本文所研究內(nèi)容為冰箱機械室內(nèi)流場及溫度場,邊界條件設定如下:
多參數(shù)環(huán)溫:針對冰箱常用工況分別將環(huán)境溫度設為25℃/32℃/43℃;壓縮機熱源:由于冰箱壓縮機并非單純產(chǎn)熱部件,邊界條件較難確定,所以使用紅外成像儀根據(jù)環(huán)境溫度的不同進行動態(tài)修正,然后進行賦值;冷凝器熱源:由于外置冷凝器葉片厚度僅為1mm,故將其設定為多孔區(qū)域,并設定恒定物理內(nèi)熱源;箱單內(nèi)壁面:忽略溫度均勻性影響將其設定為恒溫壁面;其余與空氣相接觸壁面設定為流固耦合壁面[3]。
在采用CFD方法時,需要對數(shù)學模型進行合理的選擇簡化,進而保證模擬計算結(jié)果的準確性及可靠性。根據(jù)本文所研究的冰箱機械室內(nèi)的溫度場及流場變化特性,平衡計算精度及計算資源后,對機械室內(nèi)空氣流動做出如下簡化[4]:
(1)兩相流體均為牛頓流體且不可壓縮;
(2)忽略流體與壁面之間的摩擦損失;
(3)忽略流體及固體壁面的輻射傳熱。
反應物理學質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒定律的控制方程分別為連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量守恒方程,各方程形式如下:
連續(xù)性方程:
式中,p是靜壓,ρ是流體密度,fi是外部體積力,ν是流體運動粘度。
能量守恒方程:
式中,keff為有效熱傳導系數(shù),Sh包含所有體積熱源。
圖1 機械室流體域抽取圖
圖2 機械室流體域網(wǎng)格示意圖
圖3 32℃環(huán)溫下冰箱機械室溫度場示意圖
在數(shù)值計算中,對于湍流問題的求解一般分為兩類方法,分別為直接數(shù)值模擬方法和非直接數(shù)值模擬方法。其中前者直接差分求解瞬時N-S方程從而對湍流流動進行預測及計算,其核心優(yōu)勢為無需對流動做任何簡化和近似,理論上可以得到無限逼近現(xiàn)實物理情況的解,但其計算資源占用龐大,在工程應用中可行性較低。非直接數(shù)值模擬又可以分為大渦模擬方法(LES)和Reynolds平均法(RANS),上述兩種方法在工程中均有所應用,本文采用RANS方法[5]對冰箱機械室中的流動進行模擬計算。
圖4 32℃環(huán)溫下冰箱機械室背板溫度場紅外成像圖
圖5 32℃環(huán)溫下冰箱機械室背板溫度場計算示意圖
圖6 25℃環(huán)溫下冰箱機械室背板溫度場紅外成像圖
將N-S方程采用RANS法進行時均處理后得到雷諾應力方程:
式中:σk稱為脈動動能的Prandtl數(shù),值為0.1左右。
將k方程中的l湍流長度標尺建立另一微分方程進行控制,即兩方程模型,考慮到本文所研究機械室內(nèi)流場包含旋轉(zhuǎn)部件,故選用Realizablek-epsilon模型進行模擬計算。
由于冰箱機械室空間較小,故壓縮機及冷凝器熱源對其影響均較大。而冷凝器作為純散熱部件,在穩(wěn)定工作狀態(tài)下,其熱源強度基本可以確定;而壓縮機作為非單純散熱部件,其熱源強度很難通過理論計算確定,所以對其進行動態(tài)修正,將相同排量的壓縮機在不同環(huán)溫下對冰箱穩(wěn)定工作時其表面進行紅外測溫并求出其表面積分值,然后形成數(shù)據(jù)庫以便模擬計算時進行調(diào)用。
如圖3所示,當環(huán)境溫度為32℃,冰箱機械室內(nèi)部溫度場分布基本呈現(xiàn)以壓縮機為主要熱源向四周散熱,冷凝器熱源影響相對較低,對機械室兩側(cè)求積分平均可得兩側(cè)溫差為4.32℃。
圖4、圖5分別為32℃環(huán)境溫度下,冰箱機械室壓縮機背板的實驗及模擬計算溫度分布圖。對比可發(fā)現(xiàn),兩者溫度分布趨勢基本一致,并對機械室左右兩側(cè)求積分平均,實驗測得兩側(cè)溫差為4.25℃,計算所得兩側(cè)溫差為4.92℃(依靠理論計算,不進行壓縮機熱源動態(tài)修正)和4.32℃(對壓縮機熱源進行動態(tài)修正),誤差值分別為15.76%和1.65%,可見修正后計算與實驗吻合度良好。
圖6、圖7分別為25℃環(huán)境溫度下,冰箱機械室壓縮機背板的實驗及模擬計算溫度分布圖。對比可發(fā)現(xiàn),兩者溫度分布趨勢基本一致,并對機械室左右兩側(cè)求積分平均,實驗測得兩側(cè)溫差為4.60℃,計算所得兩側(cè)溫差為4.71℃,誤差值為2.39%,計算與實驗吻合度良好。
在43℃環(huán)境下,冰箱機械室左右兩側(cè)積分均值的差值減小,紅外成像實驗所得兩側(cè)溫差為3.61℃,模擬計算所得兩側(cè)溫差為3.72℃,誤差值為3.05%,誤差值不足5%,可以認為計算結(jié)果真實有效。圖8、圖9分別顯示了43℃環(huán)境溫度下,冰箱機械室壓縮機背板的實驗及模擬計算溫度分布,兩者溫度分布趨勢一致,具有良好的設計參考價值。
本節(jié)主要對比介紹了冰箱機械室溫度場仿真與紅外成像實驗所得結(jié)果,經(jīng)過壓縮機熱源動態(tài)修正后,在不同環(huán)溫情況下均可以得到較為準確的仿真值,實驗誤差小于5%。且隨著環(huán)境溫度的升高,機械室內(nèi)部溫度均勻性提升,冷暖兩側(cè)溫差值有所下降,這是由于機械室內(nèi)雖然設有外置冷凝器散熱風扇,但其空間、風量有限,即散熱能力有上限值,隨著環(huán)境溫度的上升,風扇散熱能力越發(fā)不足所以導致機械室內(nèi)部溫度均勻性變好,溫度差值降低。通過仿真計算可以預測在極端情況下機械室內(nèi)部溫度場的分布,進而風扇的優(yōu)化選型或者機械室內(nèi)結(jié)構(gòu)件的放置與布局,進而在設計前端解決問題。
圖7 25℃環(huán)溫下冰箱機械室背板溫度場計算示意圖
圖8 43℃環(huán)溫下冰箱機械室背板溫度場紅外成像圖
圖9 43℃環(huán)溫下冰箱機械室背板溫度場計算示意圖
本文通過一個工程實例,即我司某款冰箱在研發(fā)過程中機械室溫度過高進而反復實驗修改所造成的人力、物力浪費問題,進行了系統(tǒng)的分析和研究。首先對冰箱機械室進行建模抽取流體域,經(jīng)過前期理論分析進行合理的簡化假設,通過CFD仿真計算與紅外成像設備動態(tài)修正相結(jié)合的方法,最終得出多環(huán)溫下機械室內(nèi)部溫度場分布情況,且誤差均低于5%,可以在設計前端即進行模型的修改優(yōu)化,針對冰箱機械室的溫度場進行分析和驗證,為結(jié)構(gòu)正向設計提供有效依據(jù)。優(yōu)化開發(fā)后期時間及人力物力浪費的問題。本文所采用的數(shù)值模擬計算方法與整體解決思路,可為同類技術問題提供參考與借鑒。