三門變溫冰箱風道系統仿真及優化

夏西廳 吳義強 張 波

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

隨著制冷技術的逐步發展，冰箱技術也日益成熟。三門變溫冰箱出現在消費者視野中并且越來越受歡迎。三門變溫冰箱的變溫室可以寬幅變溫，既可以補充冷藏室空間也可以補充冷凍室空間，靈活性較高。風道系統作為冰箱的核心部件之一，對風量冰箱的性能有很大影響，因此，改進風道的結構如型線布局，風口面積，出風口位置等參數非常重要。

制冷循環中，蒸發器產生的冷量要通過風道輸送到冰箱各個位置，所以風道的總風量以及風道在不同間室的風量對于冰箱的平均溫度和溫度均勻性都有較大影響。隨著CFD技術的進步，冰箱風道的設計優化都可以借助CFD技術，極大的減少驗證風道效果需要的時間，縮短設計周期。崔培培[1]研究了不同壁面條件下冰箱的動態傳熱過程。王瑤[2]使用 Star CCM+ 仿真軟件對上凍下藏風冷冰箱風道進行了模擬分析，并基于模擬分析結果對風道系統進行結構優化設計。吳光瑞[3]基于 CFD 方法研究了風冷冰箱內部防凝露機理及優化方法。夏國青[4]利用CFD和實驗相結合的方法對風冷冰箱風道系統進行了仿真分析與實驗研究。陳秀鵬[5]仿真研究了對開門風冷冰箱冷凍間室性能。

本文研究的對象為某型號三門變溫冰箱。該冰箱在原有箱體的基礎上，減薄了門體與泡層，增大間室空間。與此同時熱負荷加大，能耗增加。為了克服這個問題，需要改善風道效率。本文通過仿真手段對風道結構進行優化，目標是提升總風量及改善間室溫度均勻性。

1 模型介紹

1.1 數學模型

風冷冰箱其制冷過程為被蒸發器冷卻的空氣通過風道借助風扇動力,從進風口進入各個間室,再經過回風風道回到蒸發器底部。間室內的空氣流動處于湍流狀態。湍流狀態下N-S方程比層流狀態多出擾動項，利用k-ε模型求解。冰箱內空氣的流動符合各守恒方程。包括物質守恒，動量守恒，能量守恒方程。

低速的空氣（Ma＜0.3）可被認為是不可壓縮流體。穩定狀態下箱內物性參數波動較小可認為是穩態。所以情況可簡化為三維穩態不可壓縮流動。冰箱內不存在質量源項。因此微分形式的空氣流動連續性方程為：

動量守恒方程，是牛頓第二定律應用于不可壓縮牛頓流體單位體積流體元的表達式，其物理意義是：

質量X加速度（慣性力）=體積力+壓差力（壓力梯度）+粘性力（粘性應力散度）

方程表達式為：

式中：

ρ—流體密度；

τ—粘性力；

v —流體速度；

F —體積力；

P —壓力。

1.2 物理模型

圖1為本文研究對象某型號三門變溫冰箱的幾何模型，其中圖1（a）為整體圖，冰箱總高是17 50 mm，寬是600 mm。間室布局為上冷藏中間變溫下冷凍。圖1（b）為原型機后背風道視圖，由冷凍室向變溫室送風的送風接頭布局在側邊。

使用UG軟件建立風道系統模型，提取模型中的空氣域作為計算空間。為保證網格質量，對模型進行了一定簡化，取消了一些細小突變。網格采用非結構化四面體網格，各風口取消邊界層。劃分網格，如圖2（b），最終網格數量1 700萬，仿真過程風扇轉速1 800 r/min。

2 結果分析

利用上述模型，對上述風道結構進行仿真。原型機總風量為14.81 g/s，其中冷藏室風量2.52 g/s，占比17 %，變溫室風量2.67 g/s，占比18 %，冷凍室風量9.62 g/s，占比65 %。變溫室風量占比偏低且總風量不足。根據熱負荷計算，優化后循環風量需要提升15 %左右。由于變溫冷凍一起制冷，當變溫室達到-18 ℃檔位時容易造成冷凍室溫度過低，所以變溫室風量占比也需提升。根據原型機流場分析結果，對原型機進行如下優化：冷凍向上送風的接頭布置在側邊，這種送風方式由于送風路徑彎折過大會導致存在流體渦旋，造成能量耗散，不利于送風。所以改進方案將冷凍向上送風接頭布置在中心位置。為了送風順暢，對于每一個間室，都要求回風口總面積大于送風口總面積。排查各間室風口面積，發現原型機變溫室回風面積過小，故增加了變溫室出風面積。為改善回風溫度均勻性，將冷藏變溫回風風道由同側布置改為兩側布置。原型機冷凍風道型線布局導致多處存在渦旋，進行重新布局。

按照上述方式改進原型機。對改進方案進行仿真，基于仿真結果不斷迭代優化改進方案，最終得到較為理想的風道圖紙。圖3為不同版本迭代過程中風量變化，從初始原型機版本到最終版本，總風量由14.81 g/s提升到16.93 g/s。圖4（b）為改進方案后背風道視圖。圖5為原型機與改進方案的冷凍風道型線對比圖。

改進后，原型機與改進方案的風量對比如圖6所示，新型方案總風量16.93 g/s，冷藏室風量2.85 g/s，占比17%。變溫室風量1.72 g/s，占比22 %。冷凍室風量10.4 g/s，占比61 %。從原型機到改進方案，總風量提升了14.3 %，變溫室風量提升了37.8 %。在總風量得到提升的同時，變溫風量的占比被特別增強，有助于改善間室溫度分布的均勻性。

圖7為原型機與改進方案的溫度場對比，原型機存在的問題是溫度分布不均以及冷凍室溫度過低，冷凍室溫度過低易引起風罩結冰，風門凍住等一系列問題。可以看出，改進方案冷藏室溫度分布更加均勻，冷凍室最低溫度有所提高，改善了冷凍室過冷的問題。

3 結論

通過對某型號三門變溫冰箱三維建模，數值仿真，基于流場分析結果，對風道結構進行了優化，冷凍向上送風接頭位置由側邊改為中間布置，增加了變溫室回風面積，重新設計了冷凍風道型線，回風風道由同側布置改為兩側布置。經過優化，總風量由14.81 g/s提升到16.93 g/s，總風量提升了14.3 %，變溫間室風量由2.67 g/s提升到3.68 g/s，提升了37.8 %。總風量得到較大提升，變溫室的風量得到特別加強，改善了間室溫度均勻性，改善了冷凍室溫度過低問題。利用CFD方式對風道設計優化，冰箱的總風量及溫度分布均得到很大的改善。