江俊 施紅玉 任偉

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

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)。

2 物理模型建立

2.1 結(jié)構(gòu)模型

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。

2.2 網(wǎng)格模型

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]。

2.3 邊界條件

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]。

3 數(shù)學模型建立

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。

3.1 控制方程

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

3.2 湍流模型

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。

4 計算結(jié)果及分析

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。

4.1 32℃環(huán)境溫度

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。

4.2 25℃環(huán)境溫度

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。

4.3 43℃環(huán)境溫度

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

5 結(jié)論

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。