三门变温冰箱风道系统仿真及优化

夏西厅 吴义强 张 波

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

随着制冷技术的逐步发展，冰箱技术也日益成熟。三门变温冰箱出现在消费者视野中并且越来越受欢迎。三门变温冰箱的变温室可以宽幅变温，既可以补充冷藏室空间也可以补充冷冻室空间，灵活性较高。风道系统作为冰箱的核心部件之一，对风量冰箱的性能有很大影响，因此，改进风道的结构如型线布局，风口面积，出风口位置等参数非常重要。

制冷循环中，蒸发器产生的冷量要通过风道输送到冰箱各个位置，所以风道的总风量以及风道在不同间室的风量对于冰箱的平均温度和温度均匀性都有较大影响。随着CFD技术的进步，冰箱风道的设计优化都可以借助CFD技术，极大的减少验证风道效果需要的时间，缩短设计周期。崔培培[1]研究了不同壁面条件下冰箱的动态传热过程。王瑶[2]使用 Star CCM+ 仿真软件对上冻下藏风冷冰箱风道进行了模拟分析，并基于模拟分析结果对风道系统进行结构优化设计。吴光瑞[3]基于 CFD 方法研究了风冷冰箱内部防凝露机理及优化方法。夏国青[4]利用CFD和实验相结合的方法对风冷冰箱风道系统进行了仿真分析与实验研究。陈秀鹏[5]仿真研究了对开门风冷冰箱冷冻间室性能。

本文研究的对象为某型号三门变温冰箱。该冰箱在原有箱体的基础上，减薄了门体与泡层，增大间室空间。与此同时热负荷加大，能耗增加。为了克服这个问题，需要改善风道效率。本文通过仿真手段对风道结构进行优化，目标是提升总风量及改善间室温度均匀性。

1 模型介绍

1.1 数学模型

风冷冰箱其制冷过程为被蒸发器冷却的空气通过风道借助风扇动力,从进风口进入各个间室,再经过回风风道回到蒸发器底部。间室內的空气流动处于湍流状态。湍流状态下N-S方程比层流状态多出扰动项，利用k-ε模型求解。冰箱内空气的流动符合各守恒方程。包括物质守恒，动量守恒，能量守恒方程。

低速的空气（Ma＜0.3）可被认为是不可压缩流体。稳定状态下箱内物性参数波动较小可认为是稳态。所以情况可简化为三维稳态不可压缩流动。冰箱内不存在质量源项。因此微分形式的空气流动连续性方程为：

动量守恒方程，是牛顿第二定律应用于不可压缩牛顿流体单位体积流体元的表达式，其物理意义是：

质量X加速度（惯性力）=体积力+压差力（压力梯度）+粘性力（粘性应力散度）

方程表达式为：

式中：

ρ—流体密度；

τ—粘性力；

v —流体速度；

F —体积力；

P —压力。

1.2 物理模型

图1为本文研究对象某型号三门变温冰箱的几何模型，其中图1（a）为整体图，冰箱总高是17 50 mm，宽是600 mm。间室布局为上冷藏中间变温下冷冻。图1（b）为原型机后背风道视图，由冷冻室向变温室送风的送风接头布局在侧边。

使用UG软件建立风道系统模型，提取模型中的空气域作为计算空间。为保证网格质量，对模型进行了一定简化，取消了一些细小突变。网格采用非结构化四面体网格，各风口取消边界层。划分网格，如图2（b），最终网格数量1 700万，仿真过程风扇转速1 800 r/min。

2 结果分析

利用上述模型，对上述风道结构进行仿真。原型机总风量为14.81 g/s，其中冷藏室风量2.52 g/s，占比17 %，变温室风量2.67 g/s，占比18 %，冷冻室风量9.62 g/s，占比65 %。变温室风量占比偏低且总风量不足。根据热负荷计算，优化后循环风量需要提升15 %左右。由于变温冷冻一起制冷，当变温室达到-18 ℃档位时容易造成冷冻室温度过低，所以变温室风量占比也需提升。根据原型机流场分析结果，对原型机进行如下优化：冷冻向上送风的接头布置在侧边，这种送风方式由于送风路径弯折过大会导致存在流体涡旋，造成能量耗散，不利于送风。所以改进方案将冷冻向上送风接头布置在中心位置。为了送风顺畅，对于每一个间室，都要求回风口总面积大于送风口总面积。排查各间室风口面积，发现原型机变温室回风面积过小，故增加了变温室出风面积。为改善回风温度均匀性，将冷藏变温回风风道由同侧布置改为两侧布置。原型机冷冻风道型线布局导致多处存在涡旋，进行重新布局。

按照上述方式改进原型机。对改进方案进行仿真，基于仿真结果不断迭代优化改进方案，最终得到较为理想的风道图纸。图3为不同版本迭代过程中风量变化，从初始原型机版本到最终版本，总风量由14.81 g/s提升到16.93 g/s。图4（b）为改进方案后背风道视图。图5为原型机与改进方案的冷冻风道型线对比图。

改进后，原型机与改进方案的风量对比如图6所示，新型方案总风量16.93 g/s，冷藏室风量2.85 g/s，占比17%。变温室风量1.72 g/s，占比22 %。冷冻室风量10.4 g/s，占比61 %。从原型机到改进方案，总风量提升了14.3 %，变温室风量提升了37.8 %。在总风量得到提升的同时，变温风量的占比被特别增强，有助于改善间室温度分布的均匀性。

图7为原型机与改进方案的温度场对比，原型机存在的问题是温度分布不均以及冷冻室温度过低，冷冻室温度过低易引起风罩结冰，风门冻住等一系列问题。可以看出，改进方案冷藏室温度分布更加均匀，冷冻室最低温度有所提高，改善了冷冻室过冷的问题。

3 结论

通过对某型号三门变温冰箱三维建模，数值仿真，基于流场分析结果，对风道结构进行了优化，冷冻向上送风接头位置由侧边改为中间布置，增加了变温室回风面积，重新设计了冷冻风道型线，回风风道由同侧布置改为两侧布置。经过优化，总风量由14.81 g/s提升到16.93 g/s，总风量提升了14.3 %，变温间室风量由2.67 g/s提升到3.68 g/s，提升了37.8 %。总风量得到较大提升，变温室的风量得到特别加强，改善了间室温度均匀性，改善了冷冻室温度过低问题。利用CFD方式对风道设计优化，冰箱的总风量及温度分布均得到很大的改善。