單建標(biāo) 張波 崔培培

長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

風(fēng)冷技術(shù)具有無(wú)霜、風(fēng)量精控等特點(diǎn)，該技術(shù)是現(xiàn)階段冰箱主流制冷技術(shù)。風(fēng)冷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)的核心部件是風(fēng)道，風(fēng)道的效率直接影響冰箱制冷能力、保鮮效果、能耗高低等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[1]。目前，精細(xì)化分區(qū)和完全嵌入式是冰箱發(fā)展的兩個(gè)主要方向[2]。其中精細(xì)化分區(qū)的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)精確的冷風(fēng)分配來(lái)實(shí)現(xiàn)。在保證冰箱容積率不變甚至增大的前提下要實(shí)現(xiàn)冰箱的完全嵌入式，不可避免的需要通過(guò)增大風(fēng)量，提升風(fēng)道效率來(lái)抵消上述措施所增加的熱負(fù)荷。風(fēng)道的總風(fēng)量和各間室、各出風(fēng)口風(fēng)量等指標(biāo)影響著冰箱制冷的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段影響風(fēng)道效率的因素有許多，其中最關(guān)鍵的是導(dǎo)風(fēng)圈內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)風(fēng)圈進(jìn)風(fēng)口直徑。導(dǎo)風(fēng)圈內(nèi)部導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)決定著風(fēng)量的分配，導(dǎo)風(fēng)圈進(jìn)風(fēng)口直徑?jīng)Q定風(fēng)壓的實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)階段兩者的設(shè)計(jì)基本都是依靠經(jīng)驗(yàn)，理論依據(jù)較少，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)可靠性周期較長(zhǎng)。隨著CFD仿真技術(shù)的進(jìn)步，目前新、老款冰箱風(fēng)道的設(shè)計(jì)、優(yōu)化都會(huì)利用CFD仿真方法進(jìn)行預(yù)判[3]。CFD仿真技術(shù)可以在減少設(shè)計(jì)人員工作量的基礎(chǔ)上，極大地提高設(shè)計(jì)的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期。

本文研究的對(duì)象為某型號(hào)小容積冰箱，該冰箱在原尺寸基礎(chǔ)上通過(guò)減薄箱體提高容積率。為了克服相應(yīng)增加的熱負(fù)荷，需要提高風(fēng)道效率增大風(fēng)量。本文以原型機(jī)為對(duì)比，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)冰箱風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在優(yōu)化后導(dǎo)風(fēng)圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)該型號(hào)導(dǎo)風(fēng)圈直徑與風(fēng)道的關(guān)系進(jìn)行探究。

2 模型分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)冷冰箱的制冷過(guò)程包括復(fù)雜的換熱、相變等物理過(guò)程，其中風(fēng)作為制冷的媒介在運(yùn)動(dòng)。風(fēng)循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)循環(huán)過(guò)程，在整個(gè)風(fēng)循環(huán)的過(guò)程中風(fēng)與蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，將高溫風(fēng)變成低溫風(fēng)通過(guò)在箱體內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行換熱。風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)為空氣在風(fēng)道里的流動(dòng)和間室之中的流動(dòng)提供動(dòng)力。本文主要研究風(fēng)在導(dǎo)風(fēng)圈內(nèi)的分布和冰箱各間室的分布和分配，因此整個(gè)過(guò)程遵循基本的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律[4]。

質(zhì)量守恒方程表達(dá)形式為[5]：

動(dòng)量守恒方程表達(dá)形式為[6]：

考慮到冰箱風(fēng)道循環(huán)的流動(dòng)特性和計(jì)算量，本文流動(dòng)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其傳輸方程表達(dá)式包含兩部分，其湍流動(dòng)能k可由以下輸運(yùn)方程來(lái)表示[7]：

耗散速率ε可表示為：

2.2 幾何模型及邊界條件

如圖1所示，為本文研究的三門小容積冰箱三維圖，其中圖1a）為整體三維圖，冰箱總高為990 mm，寬為410 mm。該型號(hào)冰箱為單系統(tǒng)三間室，包括上部冷藏間室、中部變溫間室、下部冷凍間室，其中變溫間室由一個(gè)抽屜組成，冷凍間室由三個(gè)抽屜組成。整個(gè)風(fēng)道送回風(fēng)管道位于箱體背部發(fā)泡層內(nèi)。圖1b）為原型機(jī)導(dǎo)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)風(fēng)口直徑為100 mm，風(fēng)機(jī)直徑為120 mm。圖1c）為后續(xù)導(dǎo)風(fēng)圈優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)上述三維結(jié)構(gòu)對(duì)流體域進(jìn)行提取，其中送風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)道，如圖2a）所示。在流體域建模時(shí)，綜合考慮流動(dòng)特性和計(jì)算的精度，在不影響研究目標(biāo)的情況下對(duì)整個(gè)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)為了使計(jì)算結(jié)果更為可靠，在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)風(fēng)扇、進(jìn)出風(fēng)口等區(qū)域進(jìn)行局部加密，最終網(wǎng)格數(shù)量為275萬(wàn)，如圖2b）。整個(gè)仿真過(guò)程中保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800 r/min。

圖1 幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的可靠性，利用風(fēng)速儀對(duì)原型機(jī)的冷凍間室各出風(fēng)口風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量。風(fēng)速測(cè)量采用testo 425熱線風(fēng)速儀，量程為0～20 m/s，且可直接讀出風(fēng)速、溫度、風(fēng)量參數(shù)。風(fēng)速儀測(cè)量時(shí)為了提高數(shù)據(jù)可靠性，采用多點(diǎn)、多時(shí)間區(qū)間測(cè)試，最后求取平均值。原型機(jī)冷凍間室各出風(fēng)口流量的仿真值與實(shí)測(cè)值如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，第一排左側(cè)與右側(cè)出風(fēng)口原型機(jī)的仿真值與實(shí)測(cè)值接近，第二排左、右兩側(cè)出風(fēng)口原型機(jī)與實(shí)測(cè)值差別較大。由于第一排左、右兩側(cè)出風(fēng)口，完全由冷凍面罩出口引出，不會(huì)因?yàn)榕浜系纫蛩匾鸩町?。第二排左、右兩出風(fēng)口首先由導(dǎo)風(fēng)圈向下引出，然后再與冷凍面罩的出風(fēng)口配合，實(shí)際配合中會(huì)因?yàn)槊芊獾仍蚴蛊渑c抽取流體域幾何模型存在差別，由此造成較大差值，同時(shí)各出口風(fēng)的流動(dòng)是一個(gè)湍流過(guò)程，風(fēng)速儀的測(cè)量不可完全準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際值。原型機(jī)冷凍室仿真風(fēng)量為18.24 m3/h，實(shí)測(cè)值為20.32 m3/h，兩者相差10.27%，綜合考慮到仿真過(guò)程相應(yīng)結(jié)構(gòu)和換熱過(guò)程的簡(jiǎn)化，以及實(shí)際測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，上述差值在允許范圍內(nèi)，即認(rèn)為該數(shù)學(xué)模型適用于該種工況下的仿真研究。

表1 原型機(jī)冷凍間室各出風(fēng)口流量仿真值與實(shí)測(cè)值

4 結(jié)果分析

利用上述模型，對(duì)上述風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。原型機(jī)即導(dǎo)風(fēng)圈為圖1b），圖3為其對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)矢量圖，表2為其對(duì)應(yīng)的間室流量值。從圖3b）可知，冷凍第一排左側(cè)出風(fēng)口與整個(gè)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)域連通不夠通暢，同時(shí)第二排右側(cè)出風(fēng)口形成大渦，不利于風(fēng)道效率的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)表2，原型機(jī)總風(fēng)量為30.45 m3/h，其中冷凍間室風(fēng)量為18.24 m3/h，占比59.92%；變溫間室風(fēng)量為6.53 m3/h，占比為21.44%；冷藏間室風(fēng)量為5.67 m3/h，占比為18.64%。根據(jù)箱體減薄及優(yōu)化后的熱負(fù)荷計(jì)算，優(yōu)化后循環(huán)風(fēng)量需要在原型機(jī)的基礎(chǔ)上提升20%左右。根據(jù)原型機(jī)流場(chǎng)分布和風(fēng)機(jī)導(dǎo)風(fēng)圈設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖1b）、c）所示，主要優(yōu)化包括導(dǎo)風(fēng)圈上四個(gè)區(qū)域，位置①處即將冷凍一排左側(cè)出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)擋板調(diào)直，減少壓力損失。位置②處擴(kuò)大導(dǎo)風(fēng)圈與扇葉之間距離。針對(duì)冷凍第二排左側(cè)出風(fēng)口風(fēng)量配比大，將導(dǎo)風(fēng)擋板上移即位置③，減少風(fēng)道寬度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量減少。冷藏間室風(fēng)量配比偏小，通過(guò)調(diào)整位置④處導(dǎo)風(fēng)擋板，縮小導(dǎo)風(fēng)圈右側(cè)上部空間，減少風(fēng)壓損失。如圖4所示，為優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)圈后，冰箱整機(jī)風(fēng)循環(huán)速度矢量圖。減小導(dǎo)風(fēng)圈流域體積，提高風(fēng)壓，同時(shí)左側(cè)第一排出風(fēng)口與整個(gè)流體域連通更通暢，右側(cè)第二排出風(fēng)口處流場(chǎng)漩渦得到改善。優(yōu)化后循環(huán)總風(fēng)量為35.94 m3/h，較原型機(jī)提升18.03%，同時(shí)各間室占比與原型機(jī)相當(dāng)，符合風(fēng)量配比規(guī)律，總體上基本滿足新箱體對(duì)風(fēng)量的需求。

圖3 原型機(jī)流場(chǎng)圖

圖4 優(yōu)化后流場(chǎng)

表2 優(yōu)化前后循環(huán)風(fēng)量值

本文在現(xiàn)有優(yōu)化后導(dǎo)風(fēng)圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)風(fēng)圈直徑進(jìn)行探究。由于冰箱的風(fēng)循環(huán)為內(nèi)循環(huán)且風(fēng)機(jī)布置在導(dǎo)風(fēng)圈內(nèi)部，使用空間決定導(dǎo)風(fēng)圈的直徑無(wú)法按照風(fēng)機(jī)使用建議直徑設(shè)定。針對(duì)優(yōu)化后的風(fēng)道，利用上述數(shù)學(xué)模型，通過(guò)改變導(dǎo)風(fēng)圈直徑來(lái)探究該容積冰箱及該結(jié)構(gòu)風(fēng)道最優(yōu)導(dǎo)風(fēng)圈直徑，所得結(jié)果如表3所示，對(duì)比六組仿真結(jié)果，導(dǎo)風(fēng)圈直徑為90 mm時(shí)，循環(huán)風(fēng)量最大，為37.46 m3/h；導(dǎo)風(fēng)圈直徑為105 mm時(shí)，循環(huán)風(fēng)量最小，為35.08 m3/h；原型機(jī)導(dǎo)風(fēng)圈直徑為100 mm，其對(duì)應(yīng)循環(huán)風(fēng)量為35.94 m3/h。綜上可知，導(dǎo)風(fēng)圈為90 mm時(shí)，風(fēng)量最大，較原型機(jī)導(dǎo)風(fēng)圈直徑100 mm時(shí)，風(fēng)量提升4.23%。

表3 不同導(dǎo)風(fēng)圈直徑對(duì)應(yīng)風(fēng)量

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某小容積風(fēng)冷冰箱三維建模、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該仿真模型的可靠性。進(jìn)而利用該模型仿真結(jié)果對(duì)導(dǎo)風(fēng)圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并對(duì)導(dǎo)風(fēng)圈進(jìn)風(fēng)口直徑進(jìn)行探究。綜合上述分析，通過(guò)對(duì)原型機(jī)仿真得出其循環(huán)風(fēng)量為30.45 m3/h，通過(guò)流場(chǎng)分析，同時(shí)根據(jù)風(fēng)道布局對(duì)導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后仿真風(fēng)量為35.94 m3/h，較原型機(jī)提升18.03%，基本滿足箱體減薄后理論所需風(fēng)量。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后導(dǎo)風(fēng)圈直徑進(jìn)行分組仿真，導(dǎo)風(fēng)圈直徑為90 mm時(shí)風(fēng)量最大，為37.46 m3/h，較原型機(jī)直徑為100 mm時(shí)，風(fēng)量增加4.27%，為該容積的導(dǎo)風(fēng)圈直徑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。