基于CFD的风冷冰箱冷冻室模块温度均匀性提高方法

基于CFD 的风冷冰箱冷冻室模块温度均匀性提高方法
谢玉兵1 王 瑶1 柯庆镝2 李乾坤1
（1.长虹美菱股份有限公司 合肥 230601； 2.合肥工业大学机械工程学院 合肥 230009）
摘要：在现代生活中，冰箱扮演的角色不可替代。

食物的储存质量依赖于冷藏室、冷冻室内的温度分布是否均匀，这是目前风冷冰箱设计中的一个重点。

本文介绍了冷冻室结构，分析了出风口的温控区域分布，建立了风冷冰箱冷冻室模块的简化三维模型并进行CFD 仿真分析；基于温控区域分布，对层内和层与层之间温度分布不均匀的地方调整该层的出风口，改善了箱室内的温度分布，提高了冷冻室的温度均匀性。

关键词：风冷冰箱；冷冻室模块；CFD；温度均匀性
Ａｂｓｔｒａｃｔ：In modern life, refrigerator plays an irreplaceable role. The quality of food storage depends on whether the temperature distribution in the refrigerator and freezer is even, which is a key point in the design of air-cooled refrigerator. This paper introduces the structure of the freezer, analyzes the temperature control area distribution of the air outlet, establishes a simplified three-dimensional model of the air-cooled refrigera-tor freezer module and carries out CFD simulation analysis; based on the temperature control area distribution, adjust the air outlet of the layer where the temperature distribution is uneven within and between layers, im-prove the temperature distribution in the chamber and improve the temperature uniformity of the freezer.Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：air cooled refrigerator; freezer module; CFD; temperature uniformity
The Method of Improving the Temperature Uniformity of Air-cooled Refrigerator Freezer Module Based on CFD
前言
风冷冰箱是现代家庭用户用于冷冻冷藏食品和物品的常用电器，其采用蒸汽压缩式制冷循环冷，制冷剂经过蒸发器与空气发生热量交换实现冰箱制冷，其换热过程与制冷剂状态、流量以及空气循环的风量和温度场均相关。

为了确保制冷效率和节约能耗，对于制冷系统和风道的耦合问题仍然单独匹配设计，较多采用类比法和制作样机进行大量实验来完成设计验证，其费时费力的同时也增加了成本，并且需要同时考虑蒸发器参数和风道参数［１，　２］。

因此借助ＣＦＤ仿真分析软件，在满足冷冻室模块温度达到制冷要求的基础上，得到冷冻室内的温度分布，并且能制定优化方案以得到温度均匀性更好的效
果。

如清华大学的游孟醒［３］将风冷冰箱冷藏室划分成不同的区域，通过ＣＦＤ得到温度均匀性和不同区域间交换的热值方程，选取了使温度均匀性最优的设计参数使得冷藏室温度场得到了优化。

华中科技大学［４］对冰箱风道型线优化并进行流场分析，通过仿真试验验证了设计的合理性。

本研究对风冷冰箱的冷冻室模块优化设计提出了更高的要求，要求在不加入蒸发器的仿真中，设定相关的边界条件，使得在冷冻室达到制冷要求的基础上，温度均匀性能满足要求。

１风冷冰箱冰箱冷冻模块结构分析
本文的研究对象是风冷冰箱冷冻室模块，包括了蒸
发室、冷冻风道、离心风机以及冷冻室，其中冷冻风道内部设计有特定的空气腔室，离心风机安装固定于冷冻风道的中上方，将经过蒸发器换热的冷空气送至冷冻风道组件内的空气腔室内，再由冷冻风道表面设计的出风口送至冷冻室内部，冷冻风道底部设计有回风口，冷空气经过冷冻室内循环换热后，经由回风口回至蒸发室内，再次同蒸发器发生热量交换转变成冷空气，开始下一轮风循环。

冷冻风道，如图１所示，在风道表面上中下四层共设计有八个出风口，一般为对称设计，底部的翻边与冰箱冷冻内衬之间的空隙形成冷冻回风口。

２仿真过程
２．１冷冻模块数学模型建立
在现有的某型号风冷冰箱结构下，通过仿真计算，得到该结构下的冷冻室的内部流场情况和每一隔层的温度场情况以及各层之间的温度均匀性并进行分析，通过分析仿真结果，对冷冻风道结构进行针对性的改进，使冷冻室内的温度均匀性得到改善。

考虑到没有加入蒸发器，所以对蒸发室部分进行简化，将蒸发室中间隔断，然后将上下两断面作为压力进出口，且将出口延长以便于监测和防止出口回流，并给定入口温度－２５　℃。

冷冻室模块的空气域模型如图２所示。

考虑到周围环境对冰箱内部温度影响很大，所以对冷冻室的上、下、左、右及门体分别考虑壁厚，由公式（１）
上壁面下壁面左壁面右壁面前门体
热流密度（W/m 2）
5.16
8.72
9.38
9.38
9.38
（a）冷冻风道出风口
图1 某型号风冷冰箱冷冻室模块
图2 冷冻室模块空气域模型
（b）冷冻室
计算得到热流密度，如表１所示。

ｑ＝
（Ｔ１－Ｔ２）
ｄ
λ （１）式中：
ｑ—热流密度，单位是Ｗ／ｍ２；Ｔ１—外壁温度，单位是℃；Ｔ２—内壁温度；单位是℃；ｄ—发泡层厚度，单位是ｍ；
λ—发泡材料导热系数，单位是Ｗ／（ｍ·℃）。

２．２控制方程
将冰箱内部空气近似为理想空气、定常不可压流动，流动过程满足以下控制方程：
１）连续性方程：
ρ ＝０θｖｉ
θｘｉ
（２）２）动量方程：
ρ －ρＦｉ＝
Ｄｖｉ
Ｄｔθｐｖｉθｘｊ （３）３）能量方程：
ρ （Ｕ＋ ）＝ρＦｉｖｉ＋ ＋ （Ｕ＋ ）　＋ρｑＤｖｉ２Ｄｔ２θｐｉｊｖｊθθＴ
θｘｉθｘｉθｘｉ
（４）表1 冷冻室各壁面热流密度
式中：
ρ—空气密度，单位是ｋｇ／ｍ３；Ｔ—空气温度，单位是℃；
ｋ—空气导热系数，单位是Ｗ／（ｍ·℃）；ｖ—空气速度，单位是ｍ／ｓ。

２．３网格划分及无关性检验
本文案例中的模型划分时，对风扇周围压力梯度变化较大的地方进行局部加密，能够使得网格质量很高，且数量也控制的较好，所得到的网格图如图３所示。

网格的划分对仿真结果的精度以及求解的计算量有很大影响，所以网格数量既不能太少以免影响计算精度或者太多以免影响求解的计算量。

本文通过５套不同数量的网格对模型进行网格无关性检验，结果如表２所示。

由表２可知，当网格数量在２６０万以上时，回风口的风
网格数量（万）
130
184
260
368
520
回风口风量（g/s）13.88213.97214.02314.01514.036
网格数量260万求解方法稳态风机转速（rpm）
1 800进、出口压力进、出口
入口温度（℃）-25
湍流模型Realizable k-epsilon 收敛条件
各计算值残差小于10
-6
图3 冷冻室模块的网格
表2 网格无关性检验结果
表
3 冷冻风道的仿真相关设定图
4 冷冻室温度分布取样点示意图
第一层
1-1
1-21-31-41-51-61-71-8-19.708-19.325-19.39-19.423-19.782-19.026-18.451-19.402第二层
2-1
2-22-32-42-52-62-72-8-22.039-21.572-20.921-21.647-19.519-19.759-18.937-19.56第三层
3-1
3-23-33-43-53-63-73-8-18.873-19.229-19.092-19.307-19.228-19.035-19.139-19.271第四层
4-1
4-24-34-44-54-64-74-8-18.746
-18.882
-18.854
-18.945
-18.886
-18.721
-18.752
-18.804
表4 冷冻室内样本点温度（单位：℃）
量趋于稳定，所以本文认为２６０万的网格数量可以满足计算要求。

２．４　冷冻模块的数值仿真
本文在数值仿真前做出以下假设：冷冻室的入口冷源是恒定的，将冷冻室内的空气视为牛顿流体，且空气
与内壁之间无滑移，不考虑其相变过程，黏性耗散不做考虑。

相关边界条件以及设定如表３所示。

２．５冷冻室内温度场仿真结果
冷冻室模块的计算结果，根据各个抽屉的长度、宽度和高度，分别取１／３的中间段作为样本单元体的长度、宽度和高度，选取样本单元体的８个顶点，作为衡量各抽屉层之间以及抽屉层内的温度分布的样本点，取样示意图如图４所示，其中Ｎ表示第Ｎ层，第一层第一个点为Ｎ－１，以此类推。

样本结果如表４所示。

为了直观的看出各单层内与各层隔间的温度分布，我们选取了样本点所在的不同截面，仿真结果如图５、６所示，其中图５为冷冻室各层隔间之间的温度分布，图６为各单层层内的温度分布。

结合图５和图６可以看出，第二层箱室内的温度均匀性分布较差，有较大的温度差。

结合表４可以得出各层内以及各隔层之间得最大温度差，如表５所示。

分析表４和表５可以得出，第一层、第三层、第四层的层内最大温差都不超过０．８　℃，第二层箱室内的最大温差超过了２．５　℃，以及各隔层之间的最大温差出现在第二层与第四层，最大温差达到了３．３１８　℃；并且通过表４可以看出，整个样本点的温度分布，除了第二层的第①、②、③、④样本点的温度在－２２．１５　℃和－２１．１５　℃，其它２８个样本点温度都在－２０．１５　℃和－１９．１５　℃，所以需要优化的温度区域即为第二层箱室的上半部分。

３冷冻室温度分布的优化
冷冻室内的温度均匀性优化从两个方面进行，一个是层内的温度均匀性，另一个是层间的温度均匀性。

层内的温度均匀性优化一般是调整出风口的方向，层间的温度均匀性优化一般是调整出风口大小以及根据冷冻风道内的流线调整冷
冻风道内部的分流结构，减小内部风压损失。

考
（a）左侧视图（b）右侧视图
图
5 冷冻室内各层隔间的温度分布
（a）第一层箱室
（c）第三层箱室
（b）第二层箱室
（d）第四层箱室
图6 冷冻室单层层内温度分布
最高温度最低温度最大温差层内
第一层-19.026-19.7820.756
第二层-19.519-22.039 2.52
第三层-18.873-19.3070.434
第四层-18.721-18.9450.224层间-18.721-22.039 3.318
表5 各层间隔内的温度差以及各隔层之间的最大温度差（单位：℃）
（a）出风口LD-L/R-2的调整
（b）出风口LD-L/R-4的调整
图
7 调整出风口示意图
第一层
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-71-8-19.536-19.168-18.983-19.124-19.594-19.336-19.546-19.052第二层
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-62-72-8-19.316-19.452-19.698-19.252-19.634-19.815-19.296-19.336第三层
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
3-63-73-8-18.762-18.954-19.136-19.267-19.328-19.196-19.232-19.386第四层
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-64-74-8-19.291
-19.368
-19.537
-19.616
-19.235
-19.513
-19.622
-19.115
最高温度
最低温度最大温差层内
第一层-18.893-19.5940.701第二层
-19.252
-19.815
0.563
第三层-18.762-19.3860.624第四层-19.115-19.6220.507层间
-18.893
-19.815
0.992
表6 优化后冷冻室内样本点温度（单位：℃）
表7 优化后各层间隔内的温度差以及各隔层之间得最
大温度差（单位：℃）
（a）左侧视图
图8 优化后冷冻室内各层隔间的温度分布
（b）右侧视图
虑到第二层的层内温度分布不均匀以及第四层的整体温度高于其他点的温度，所以本文对第二层和第四层的冷冻风道出风口进行改进，由于第二层上半部分温度较低，将第二层的出风口ＬＤ－Ｌ－２和ＬＤ－Ｒ－２以及第四层的出风口ＬＤ－Ｌ－４和ＬＤ－Ｒ－４作出调整，如图７所示。

优化后的各个样本点温度分布如表６所示，且由表
６可以得出各层内以及各隔层之间得最大温度差，如表７所示。

优化后的仿真结果如图８、９所示，其中图８为优化后的冷冻室各层隔间之间的温度分布，图９为优化后的各单层层内的温度分布。

结合表７可以看出，整个冷冻室箱室内的温度分布均匀性较于优化前得到了提高，各层内的最大温差为０．７０１　℃，各层之间的最大温差为
层间
最高温度
最低温度温差优化前-18.721-22.039 3.318优化后-18.893
-19.815
0.992
优化百分比
70 %
表8 层间优化前后对比（单位：℃）
参考文献：
作者简介：
[1] 慕志光, 陈曦, 王建中. 新型带透明玻璃门的三门无霜冰箱设计[J]. 制冷技术, 2012,(2):67-70+74.
[2] 华绍曾. 实用流体阻力手册[M]. 北京：国防工业出版社, 1985.
[3] 游孟醒,刘学平,向东.风冷冰箱冷藏室温度均匀性优化[J]. 机电产品开发与创新, 2019, 32(1):27-29.
[4] Ye J , Huang X , Cheng Y , et al. Air volume improvement in the duct system in frost-free refrigerators based on the CFD method [J]. The Journal of Supercomputing, 2018.
谢玉兵（1979.3-）男，本科，主要从事产品研发及项目管理工作。

（a）第一层箱室
（c）第三层箱室
图9 优化后冷冻室单层层内温度分布
（b）第二层箱室
（d）第四层箱室
０．９９２　℃，均不超过１　℃，且相比于优化前整个箱室内的温度均匀性提高了７０　％，如表８所示。

４结论
本文对风冷冰箱冷冻室模块做出两处简化，给定了出入口边界条件和入口温度，考虑５个壁面的热负荷，建立了冷冻室模块工作时箱内　的温度分布数学模型，进行温度场分析，得出以下结论：
１）在冷冻室模块以正常工况工作时，冷冻室内的温度基本上都能达到－１９　℃，符合箱内的温度要求；
《日用电器》2020年第7期 P88《视觉检测技术在冰箱外壳柔性折弯机上的应用》一文中第4作者应为：陈健斌。

特此声明
声明:
２）基于冷冻室内的温度分布，在仿真结果中，温度均匀性最终达到了要求，证明了对蒸发室进行简化以及对出风口进行调整的方法是可行的。