基于CFD的冰箱门体发泡过程模拟方法

基于CFD的冰箱门体发泡过程模拟方法Simulation method of fridge door foaming process based on CFD
李乾坤'柯庆铺2田亚明'尚松柏$
LI Qiankun1KE Qingdi2TIAN Yarning1SHANG Songbai2
1•长虹美菱股份有限公司安徽合肥230601； 2.合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009
1.Changhong Meiling Co.,Ltd Hefei230601;
2.College of mechanical engineering.Hefei University of Technology Hefei230009
摘要
为了验证聚氨酯是否能在冰箱门体内充满以及观察在各个时刻冰箱门体内聚氨酯的体积
分数，建立了聚氨酯注塑充型流动的数学模型，运用计算流体力学知识，使用前处理软件
对冰箱实际门体模型进行网格的划分，使用Fluent软件进行聚氨酯注塑数值模拟，进行纯
流场分析。

结果表明：随着填充的进行，聚氨酯的体积分数在不断增大，空气的体积分数
逐渐被聚氨酯取代，当填充进行到61s左右时，聚氨酯的体积分数相对达到最大，即充满了
整个冰箱门体的腔体内部，至此填充过程结束。

关键词
数值模拟；注塑充型；体积分数计算；流体力学
Abstract
To verify whether the polyurethane can be filled in the refrigerator door and observe the volume fraction of the polyurethane at all times,a mathematical model of the flowing filling of polyurethane is established,where with the knowledge of computational fluid dynamics,the writer uses the pre-processing software to divide the actual door model
of the refrigerator into grids,and uses fluent software to carry out numerical simulation
of polyurethane injection and analysis of pure flow field.The results show that with the filling,the volume fraction of polyurethane increases and the volume fraction of air is gradually replaced.When at61s or so,the volume fraction of polyurethane reaches the maximum,and polyurethane fills the whole body cavity of the refrigerator door,when the filling process ends.
Keywo r d s_______________________________________________________ Numerical simulation;Injection molding;Volume fraction;Computational fluid dynamics
DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2019.01.0013
1引言
聚氨酯泡沬具有质量轻、比强度高、不透水、不吸
湿、绝缘、防震等优异性能。

冰箱门体内硬质聚氨酯绝热
层是由发泡过程得到，整个制备过程如图1,其中发泡反
应过程相当复杂，主要有两种反应过程，凝胶反应和发
泡反应，反应模型示意过程如图2。

由于发泡反应过程参
数冗杂且不易控制，会导致发泡层在新设计的结构件中分布不均匀，致使该结构在温度场下产生一定的形变，进而影响到整个产品的使用性能。

但是，目前针对新设计结构的发泡过程工艺参数调整主要依据经验及实体验证数据，缺乏一些能够提供工艺决策的理论分析模型及方法，因此，对于保温层中硬质聚氨酯材料发泡过程的研究越来越多。

于洋等(2011)通过建立聚氨酯泡沫发泡过程化学反应程度的标量方程以及考虑化学反应放热和物理发泡剂蒸发吸热效果，模拟出聚氨酯在二维平面内的膨胀流动仿真H-Abdessalam等(2015)建立了包括化学反应和热流变学的理论模型，基于该模型釆用有限元方法对聚氨酯泡沫塑料充型过程进行了数值模拟叫同样还是H-Abdessalam等(2017)考虑了主要化学反应、放热效应以及热流变耦合进行泡沫充型过程仿真，提出了一种预测柔性聚氨酯泡沫材料的声学特性的方法叫I-Bedii Ozdemir等(2017)开发了一种聚氨酯的流动模型，通过模拟泡沫在冰箱橱柜的填充过程，可以改善通风口的位置和尺寸大小叫本文忽略了其化学反应过程，釆用分段常数密度以及黏度的思路来代替聚氨酯在流动膨胀过程中的密度及黏度变化，釆用注塑填充方法来近似模拟聚氨酯的流动膨胀过程。

本文研究重点就是验证聚氨酯在简单型腔内的流动状态是否与实际相符合，从而应用到实际冰箱门体上，观察硬质聚氨酯在实际模型里的充型状态，以期后期测量保温层各个特征点的密度是否满足生产要求。

2发泡过程分析
2.1聚氨酯充型的基本过程描述
硬质聚氨酯泡沫膨胀流动过程的仿真，首先需要了解参与聚氨酯泡沫化学反应的材料以及重要的化学反应过程，这是因为发泡过程所涉及的反应众多，所以只研究反应体系中的关键材料和关键化学反应叫
2.2主要原材料
(1)MDI
特性：粗制MDI尤其是PAPI是制备硬质聚氨酯泡沫最主要的多异氧酸酯化合物。

它的特点是官能度高、蒸气压低、气味小、毒性低。

冰箱用MDI技术要求如表1。

(2)组合聚醯
特性：冰箱用组合聚瞇一般是由4到5种不同官能度的聚酬多元醇、2到3种催化剂、1到2种均泡剂以及一定量的去离子水混合而成。

其主要特点是配方灵活多变，对冰箱发泡影响特别显著。

组合聚瞇技术要求如表2。

(3)环戊烷
特性：气相导热系数较小，使用环戊烷作发泡剂，对聚氨酯硬质泡沫体的绝热性能影响较小，可以满足冰箱对绝热性能的技术要求。

环戊烷技术要求如表3。

2.3主要化学反应
充型过程的化学反应十分复杂，但是主要有两个反应，即为凝胶反应和发泡反应。

(1)凝胶反应：是由异氧酸酯和多元醇反应生成聚氨酯,如公式(1)：
OCN-R-NCO+HO-R'-OH—-[O-R'-O-CONH-R-NHCO]…-(1)
(2)发泡反应：是由异氧酸酯和白料里面的水发生反应，反应形成的氨基甲酸是中间产物，氨基甲酸分解
成胺和二氧化碳，由S-A-Baser(1994)切提出的简化模型，如公式(2)：
R-NCO+H,O-*R-NHCOOH^R-NH2+CO2(2)
3注塑充型理论概述
由之前的化学反应可以看出，要想准确模拟出整个化学反应过程是非常困难的，它涉及到许多交叉学科的知识，所以本文中提出一种釆用注塑充型的方法来近似模拟聚氨酯发泡的流动膨胀过程。

我们知道，聚氨酯发泡过程是一个非常复杂的过程，在化学反应不断进行时，混合液体的各项物理性质是不断发生变化的，这种变化机制在现有的独立仿真软件中还未开发，所以需要借助UDF(User Defined Functions,用户自定义函数)进行二次开发程序的编写来实现聚氨酯混合液各项物性参数的变化，所以本文提出了一种简化方法，即釆用分段常数的密度和黏度来近似代替混合液在化学反应过程中的密度以及黏度变化规律。

所以本文的模拟思路即为将发泡过程简化为注塑过程以及分段常数的密度及黏度变化。

由于整个充型时间大约在60秒左右，我们将分为四个阶段来进行密度以及黏度的调整，变化过程如表4所示。

3.1数值模拟模型
制备聚氨酯的原料混合后是白色液体,注塑填充的过程中假设液体是黏性可压缩的广义牛顿流体，基于黏性流动力学的基本方程，进行必要的合理简化，得到聚氨酯原料流动的控制方程，这是进行数值模拟的基本依据。

3.2控制方程
(1)连续性方程。

连续性方程是质量守恒定律对于运动流体的表达式。

生+P邑=0
dt dx t
实际冰箱门体的网格模型
图5冰箱门体横截面以及纵截面表1冰箱用MDI技术要求
原液项目单位标准粗制MDI
外观—透明棕黑色液体
黏度Mpa-s(25*C)200±50
表3环戊烷技术要求
原液项目
表2组合聚醴技术要求
原液项目单位标准组合聚醛
外观—浅黄色粘稠液体
黏度Mpa-s(25*C)3000-4500环戊烷
外观
相对密度
单位
(p#=1kg/m3)
标准
无色液体
O.75kg/m3
图6
聚氨酯各个时刻的体积分数
云图
表4模拟聚氨酯发泡四个阶段的密度以及鮎度
第一阶段(0~20s)第二阶段
(20~30s)
第三阶段
(30~40s)
第四阶段
(40~60s)
密度1100kg/m3180kg/m3120kg/m380kg/m3黏度0.5kg/m—s0.7kg/m-s1kg/m—s1.5kg/m—s
(2)动量守恒方程。

动量守恒方程是动量守恒定律对于运动流体的表达式。

其中，P表示的是聚氨酯的密度，随充型过程进行而变化；岭表示的是填充速度。

3.3Fluent数值模拟实现方法
在本文的数值模拟中，注塑填充材料选择的是制备冰箱门体绝热层的聚氨酯混合液，在Fluent中定义了该混合液的材料，在前文提到采用分段常数的密度以及黏度来模拟混合液的流动膨胀过程，所以只定义了流体材料的密度以及黏度，变化过程如表4所示。

基于有限体积法的Fluent软件对网格划分的要求十分苛刻。

六面体网格一般比四面体网格质量更好，相比于四面体网格在迭代计算时更容易收敛些，且在其他条件相同的情况下如网格尺寸相同时，釆用六面体网格划分出来的网格数量要比四面体网格少，因此计算量也就更小冋。

本文案例中的模型使用的是Hyper mesh软件划分网格，釆用混合网格手段，在模型规整的部分釆用六面体网格，在一些不规则的模型部分釆用四面体网格，这种方法不仅避免了全部使用四面体网格会出现的问题，而且是整个网格的质量得到提高，所使用的冰箱实际模型以及所得到的网格图如图3、图4所示。

在Fluent中边界条件设置如下：在浇口处使用速度入口，速度大小为0.001m/s,模型封闭无出口，壁面设置为静壁面无滑移条件，以大气压为参考值，设置流动前沿相对压力为0。

在Fluent求解中釆用如下设置：釆用基于压力的耦合求解器，考虑重力因素，釆用VOF模型，使用湍流模型中标准k-e两方程模式，其他的如离散方法以及松弛因子等都釆用默认值，瞬态计算。

3.4冰箱门体的仿真结果
为了更加直观的看到实际门体里聚氨酯体积分数不
(下转89页)
因实际情况，片距减小造成的翅片的空气流道变窄，风量
减小，进一步影响了冷凝水和结灰等效果，保证性能的基础上，片距1.0mm是较优选择。

紧凑型小片距设计一方面因增加了空气侧换热面积使得换热能力提高，另一方面，因空气流道面积减小,空气侧雷诺数变小，进而空气侧表面传热系数降低，综合评估，换热器总传热系数与片距存在最优解，而该最优片距是满足加工成形要求的，需要考虑加工水平，翻边成形影响片距的一致性,关系到翅片与铜管之间接触热阻的大小。

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图12
片距与」「因千关
系曲线图
(上接84页)
断增加的过程，我们在实际门体上选择了两个截面，从而可以从两个不同的角度来观察聚氨酯增长过程。

冰箱门体的截面图，即横截面和纵截面如图5所示。

经过计算后处理，聚氨酯填充过程的体积分数变化如图6所示。

当入口速度为lmm/s时，云图显示了不同时刻下横截面和纵截面的聚氨酯体积分数，由图6可知，随着填充的进行，聚氨酯的体积分数在不断增大，空气的体积分数逐渐被聚氨酯取代，当时间进行到61s左右时，聚氨酯的体积分数相对达到最大，即充满了整个冰箱门体的腔体内部，至此填充过程结束。

4结论
本文釆用了Fluent软件，忽略化学反应，根据聚氨酯的实际流动膨胀过程中的物性变化，标定了在四个膨胀阶段中密度、黏度的变化，建立了在实际冰箱门体内聚氨酯注塑充型流动的数学模型，进行纯流场分析，观察在实际冰箱门体内各个时刻聚氨酯的体积分数变化，得出以下结论：
(1)在该实际冰箱门体模型中，以lmm/s的速度向腔体内填充聚氨酯，大约需要60秒左右能够充满整个型腔。

(2)基于观察冰箱门体内聚氨酯体积分数的变化，在仿真结果中，聚氨酯最后充满了整个腔体，证明了忽略化学反应，近似模拟聚氨酯填充过程是可取的。

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