基于CFD的冰箱冷藏间室动态平衡温度场仿真研究

殷宝振 冯衬 昝朝 刘茴茴 孟亮

1.青岛海尔电冰箱有限公司 山东青岛 266101；2.海尔智家股份有限公司 山东青岛 266101

0 引言

随着技术发展，冰箱技术愈发完善，产品功能也越来越丰富，保鲜、干湿分储、多功能区、母婴专区等，这对冰箱的设计和技术要求以及温度均匀性要求日益提升，想要满足当前人们对冰箱的需求，需要设计人员对冰箱的制冷周期、制冷风量、送风通道进行合理的设计和优化，所以，冰箱的优化设计成为现代制冷产业发展的重要课题。

当前，国内外对于冰箱优化设计也进行了相关探究，对于间室温度分析划分为两种模式：间接表征和直接体现。间接表征主要指通过流场流动来体现间室温度均匀性，通过流场优化冰箱风道结构，实现温度均匀性。张守杰[1]就是通过对流场进行仿真并对风道进行了优化。而直接体现则是通过仿真温度场直接表征空间温度分布，从而直观体现温度均匀性。所以，可以通过直接建立温度场模型，来实现对冰箱间室温度的预测，而根据给定冷源温度方式不同又分为恒定的表面温度和随时间变化的周期温度两种模型。白连社[2]通过给定稳定的冷源温度，对比冰箱冷藏间室内测点温度和仿真温度，依据仿真结果，对冰箱风道结构进行优化设计[2]，吴小华[3]将蒸发器表面保持固定温度，优化搁架和门体距离，使得间室温度更均匀。相对于直冷仿真，强制对流牵涉更多复杂模型，通过搭建流场模型，优化设计风道，提高间室温度均匀性[4]。3D模型下，探究稳定状态下蒸发器表面换热效率，优化蒸发器结构，也能使蒸发器换热效率提高[5]。给定变化温度的方式，能够更接近实际冰箱状态，凌长明、陶文铨[6]采用非稳态的表面温度，探究了间室内温度均匀性和蒸发器表面局部的Nu数和平均Nu数随时间的变化。

以上探究存在以下几点缺点：（1）在冷源方向上给定固定温度，在当前风冷冰箱上，蒸发器表面温度存在一定的温度偏差，这就导致无法实际展示冰箱内部的流动和温度变化；（2）更多采用结构局部简化模型，与实际结构存在偏差，造成仿真结果和实际存在差异；（3）二维仿真相对于实际复杂的三维间室，无法正确表示间室的流动状态和温度变化，即使在3D模型下，也仅仅只是对稳定状态的局部温度进行探究，无法拓展到整个间室。依据当前问题，本文将采用三维场景和随时间变化的温度边界，探究冷藏间室内的温度和流场变化，为风道优化提供技术基础。

1 计算模型

1.1 物理模型

选取一款家用风冷冰箱的冷藏间室，包含冷藏风道、风门、送风管、回风道、冷藏内饰等等。图1为冷藏结构图以及间室测点位置，图2为风道出风口。根据实验对间室、壁面、风道内的监测点，作为仿真对标点。

图1 冷藏间室

图2 风道出风口

1.2 数学建模

根据上述物理模型，本文作出如下假设：（1）间室内空气为牛顿流体，且空气为理想干空气，不考虑相变过程；（2）空气与固体壁面满足无滑移条件；（3）忽略辐射影响；（4）空气流动为湍流。

采用star ccm+仿真软件，由于存在强制对流，采用k-e模型，当风机停机时，流动变缓，这时的流动主要是由温度差造成的自然对流，所以考虑到重力模型，同时添加Bossinesq模型（由较小温度差造成的流动）。

k-e输运方程如下：

其中：，μ为平均速度和动力粘度，σk、σε、Cε1、Cε2为模型系数。模型满足动量守恒、质量守恒以及能量守恒定律，方程如下：

其中：u、v、w为x、y、z方向上的速度，ρ、T、k、Cp、μ分别为密度、温度、导热系数、定压比热、动力粘度。

1.3 边界条件确定

实际冰箱运行过程中存在开停周期，一方面保证间室温度在设定温度档位上下波动；另一方面降低能耗，减少运行成本。本文将采取实际的冰箱开停过程，通过给定随时间变化的温度周期来实现。对于风口流量，依据风速仪测定得到。

由于仿真模型考虑到固体热惯性影响，所以添加固体模型——发泡体、内胆、玻璃搁架、瓶座、抽屉等，仅需要给定与环境接触的固体表面温度以及换热系数。实验对象放置在恒温的大型实验室内，室内温度为32℃恒温，按照冰箱实验标准进行测量。

2 仿真结果分析

根据前期实验测定的相关数据，设定相关的边界条件，由于仿真过程给定开停周期，冰箱发泡料、门体内部、风道泡沫等相关零部件的初始温度实验无法测定，为解决初始条件造成的计算偏差，本文将通过稳态计算与瞬态计算相结合的方法，弱化固体模型的初始温度，降低边界条件的影响，根据图1所示监测点，仿真和实验对经如图3所示。

通过图3可以发现，在制冷阶段，间室内的各个监测点温度逐渐下降，当到达关机点时，制冷关闭，间室内、风道内的温度都开始升高，当达到开机点时，制冷将会重新开始，以此周期性循环。由图3四个监测点数据对比可知：在制冷过程中，顶部隔层（监测点1）的温度明显低于其他隔层的温度，但在不制冷过程中温升相对于其他隔层最快，且温度最高，这主要是因为风道顶部出风量要大于中部和底部出风口风量，使得制冷阶段温度降低明显；在非制冷阶段，顶部隔层与外部环境接触面积大于其他隔层，且间室内与环境温差较大，使得传热相对较多，造成温升较快。综上所述，实验过程：制冷阶段间室顶部温度最低，底部温度最高，非制冷阶段顶部温度最高靠近底部偏上温度最低。

图3 间室温度对比

图4 风道出风口温度对比

通过图3～图5中仿真和实验各点温度对比和表1可知，仿真和实验的温度变化趋势保持一致，积分平均温差最大为1.2℃（积分平均温度是温度关于时间的算术平均值），温差较大的区域主要在间室1、3。其中间室3的温差最大，主要由于在间室3区域没有出风口，降温依靠顶部冷气下沉，仿真的流动状态与实验存在误差，造成仿真温度偏高，同时也由于实验测点位置与仿真测点位置存在偏差，需要进一步优化模型方案。但整体温度趋势保持一致，且温差最大为1.2℃，能够为产品设计提供优化方向。综上所述：仿真得到的各点的监测温度和实验温度在动态制冷过程中，趋势性保持一致，积分平均误差最大不超过1.2℃。

图5 壁面温度对比

表1 仿真与实验积分平均值

通过图6和图8可知，在非制冷阶段（取停机5 min后为研究对象），间室内空间温度顶部温度高，底部温度低，靠近内胆温度高，间室中间温度低，这使得空间温度不均匀，对冰箱食材的存储存在影响。造成该现象的主要原因是：（1）风道送风量于各出风口风量占比不匹配，顶部出风量偏少，温升过快；（2）没有强制吹风后，间室内的冷气流下沉，热气流上升，使得顶部隔层的温升明显较快，对此现象进行优化，可以考虑强化顶部的保温效果，比如增加发泡层厚度或者添加VIP等隔热材料，通过增加导热热阻，降低换热，减缓温升速率，增加顶部出风口风量（由表2和表3及图10可知）和增加顶部发泡层厚度（增加5 mm）。由图7和图9可以发现，顶部温度降低，间室温度均匀性提高；由表4可知，间室内温度标准差降低，均匀性提高。综上所述，通过该模型确定当前冰箱存在的问题：（1）间室温度均匀性不足；（2）顶部温度（靠近门体）偏高。根据当前问题优化风道各个出风口出风占比以及适当增大保温材料厚度，使得间室内的温度均匀性提高，顶部峰值温度降低。

图6 A-x=0.02处截面温度云图

图7 B-x=0.02处截面温度云图

图8 A-y=0.27处截面温度云图

图9 B-y=0.27处截面温度云图

表2 基础版风量（注：出风位置由图2可知）

表3 优化版风量

表4 间室温度波动性（℃）

图10 速度矢量图

3 结论

通过仿真和实验对比，仿真在变化趋势上与实验的结果保持一致，且整体积分平均温度最大误差不超过1.2℃，能够对冰箱设计提供优化方向。但当前模型中对于靠近风道和风道盖板之间的温度预测偏差较大（1、3测点），主要由于该区域实际结构中存在间隙和漏风现象，仿真过程中理想的认为不存在间隙，使得偏差较大，需要进一步优化。

根据该模型，对当前产品设计进行模拟分析：通过温度云图可以发现：（1）间室温度均匀性不足；（2）顶部温度（靠近门体）偏高。依据当前所展现出的问题，对风道各个出风口风量占比进行调整，以及对保温材料厚度进行适当调整，再进行相同工况的温度仿真，对比发现间室温度标准差降低，温度均匀性提高，顶部温度峰值降低。

当前仅仅是对冷藏间室进行动态温度场仿真，对于冷冻间室的动态温度场仿真则需要牵涉到蒸发器模型、风扇模型、风门开停模型等相关模型的搭建，该仿真复杂难度增加，但对于建立整机的温度场仿真有着重要的意义，能够更加直观有效提高家用电器性能，需要进一步探究。