应用FLUENT进行散热模拟

目录目标 (3)1.引言 (3)2.CFD仿真过程 (4)2.1控制方程 (4)2.2单位 (4)2.3材料物性参数 (5)2.4几何与网格创建 (6)2.5求解工况&计算域&边界条件 (10)2.6结果分析 (10)2.7结论 (15)表格清单表1 单位系统（国际单位制） (5)表2 空气理想气体物性表 (5)表3 冰箱塑料内胆物性表 (5)表4 冰箱隔热层物性表 (6)表5 冰箱外壁物性表 (6)表6 计算域划分与边界条件 (10)图片清单图1 冰箱外形示意图 (3)图2 冰箱几何尺寸示意图（单位：mm） (4)图3 采用Icem创建的冰箱几何模型 (7)图4 冰箱外表面网格 (8)图5 冷藏室外表面网格 (8)图6 冷冻室外表面网格 (9)图7 截面体网格（x=300mm） (9)图8 瞬态计算残差曲线 (11)图9 冷藏室中心点温度时间曲线 (11)图10冷冻室中心点温度时间曲线 (12)图11 Z=300mm处的温度曲线 (12)图12 Z=300mm处的速度曲线(a)冷藏室 (b)冷冻室 (13)图13 冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处截面的速度云图 (14)图14 冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处隔热层温度分布云图 (15)目标本报告旨在通过ANSYS 旗下软件ICEM 、FLUENT 进行美的冰箱的仿真。

在35℃环境温度下，求解得到冰箱启动后的冷藏室和冷冻室温度从35℃分别降温到5℃和-18℃的降温曲线。

1. 引言冰箱由冷藏室、冷冻室两个独立空间组成，室内空气采用自然对流方式进行热传递；此外，还需要考虑冷量通过塑料ABS 内胆、隔热层和冰箱外壁钢板的损失。

冰箱外形如图1所示:冰箱几何尺寸示意图如图2冷藏室 F冷冻室 R图2 冰箱几何尺寸示意图（单位：mm）2.CFD 仿真过程本次仿真所用网格采用ANSYS○R ICEM CFD生成，所后采用ANSYS○R Fluent作为求解器进行求解。

2.1 控制方程根据Navier-Stokes方程，采用控制体积法进行离散。

由于温度是冰箱的关键性能参数，因此除了考虑流动方程，即连续性方程、动量方程外，一定要考虑能量方程。

2.2 单位本次模拟采用国际单位制，具体单位见表1。

表1 单位系统（国际单位制）变量 单位 质量 kg 长度 m 体积 m^3 时间 s 温度 K 压力 Pa 力N2.3 材料物性参数针对冰箱内的流动以自然对流为主的特点，因此必须考虑冰箱内空气密度变化对流场和温度场的影响，在此将空气作为理想气体处理，遵循以下理想气体方程：(Eqn.2.3)空气的物性参数如表 2所示。

冰箱内胆材料ABS 塑料物性如表 3所示。

发泡剂物性如表4所示。

冰箱外壁钢板物性如表5所示。

表2 空气理想气体物性表空气理想气体 固液气相 气相密度 1.85e-005 [kg m^-1 s^-1] 参考压力 1 [atm] 参考温度 25 [C]热扩散系数 1.007E+03 [J kg^-1 K^-1] 定压比热容 Constant Pressure 导热系数2.63E-2 [W m^-1 K^-1]表3 冰箱塑料内胆物性表ABS 固液气相 固相 密度 1050[kg m^-3] 参考压力 1 [atm] 参考温度 25 [C] 热扩散系数 7E-5定压比热容 1.8E+03 [J kg^-1 K^-1] 导热系数1.7E+2 [W m^-1 K^-1]T R p p w ref 0)(+=ρ表4 冰箱隔热层物性表发泡剂固液气相固相密度70[kg m^-3]参考压力 1 [atm]参考温度25 [C]热扩散系数 2.124E-5定压比热容 1.045E+03 [J kg^-1 K^-1]导热系数2E-2 [W m^-1 K^-1]表5 冰箱外壁物性表Steel_Rolled固液气相固相密度7850[kg m^-3]参考压力 1 [atm]参考温度25 [C]热扩散系数 1.728E-5定压比热容 4.34E+02 [J kg^-1 K^-1]导热系数14 [W m^-1 K^-1]2.4 几何与网格创建¾几何创建分析表明，冰箱单元结构为标准形体，如长方体、圆柱体等，并无复杂几何结构；因此采用ICEM CFD自带的几何创建功能生成冰箱几何模型；同时分析图2可知，冰箱沿X方向呈几何对称结构，因此取长度（图2所示X方向）的1/2尺寸、宽度和高度保持不变生成几何模型，如图3所示。

通过这种方式，在保留冰箱几何特征的同时，能够减少1/2的网格数量，从而大幅度降低求解时间。

¾网格策略分析考虑到冰箱几何的特点，即总体尺寸大（如冰箱外型尺寸，长：宽：高=600mm×600mm×1700mm），部分元件尺寸小（如冷凝管/蒸发管直径仅为10mm），这一特征给网格划分带来一定困难，普通网格生成软件难以快速生成有效的网格。

ICEM采用先进的八叉树算法，具有先进的拓扑功能，能快速捕捉图形轮廓，分析几何特征，帮助使用者在较少的人工干预下，快速设置网格生成参数，得到较高质量的网格。

图3 采用Icem创建的冰箱几何模型¾网格创建过程从热传递的角度来分析，冰箱包括ABS塑料、发泡剂、钢等固体热传递区域，以及空气流动区域，属于固气共轭传热问题。

为实现这一仿真，将所创建几何分为三个计算域，包括空气域、隔热泡沫域以及塑料内胆域；至于由steel-rolled制成的冰箱外壁，由于钢的导热系数远大于附近介质空气和发泡材料，同时壁厚仅有1mm，因此可将钢壁面的热传递简化为沿壁面方向的一维导热。

根据这一简化条件，采用将冰箱外壁作为面域处理，在fluent中单独设置1mm厚度值的方法考虑冰箱外壁对本次仿真的影响。

所生成网格见图4至图6所示。

图7右侧显示的图像中不同颜色表明不同的物质点，如黄色体网格代表隔热层网格，淡蓝色体网格代表塑料内胆ABS层网格，红色体网格表示冷冻室内空气网格。

不同的计算域通过在ICEM中设置物质点进行区分。

本次模拟采用ICEM CFD软件生成四面体非结构化网格，本次生成的网格总数为2,571,934，网格质量超过0.13, 完全能满足计算所需要的网格精度标准。

图4 冰箱外表面网格图5 冷藏室外表面网格图6 冷冻室外表面网格图7 截面体网格（x=300mm）2.5 求解工况&计算域&边界条件本文中所有参数由美的冰箱事业部提供，所采用边界条件与求解器控制参数见表.6表6 计算域划分与边界条件Solid Domain (ABS_CANG_MT, ABS_DONG_MT,FOAM_MT)Domain Type SolidSolid List ABS, Foam_insulationBuoyant Model --Reference Pressure 1 [atm]Heat Transfer Model ConductionFluid Domain (CANG_MT,DONG_MT)Domain Type FluidFluids List Air Ideal GasBuoyant Model Buoyant(with gravity)Reference Pressure 1 [atm]Heat Transfer Model Natural convectionTurbulence Model K-EpsilonTurbulence Wall Functions AutomaticOperation ConditionsReference Pressure 1 [atm]s^-2] Gravity -9.8[m Initial ValuesInitial Temperature 35℃Initial Velocity Vx=Vz=0.01[m s^-1],Vy=-0.01[m s^-1]Boundary ConditionsWall TypeSymmetric face SymmetryCoupledInterface between solid domain and fluiddomainOthers Wall2.6 结果分析本次模拟的主要目的在于获得并分析冷藏室/冷冻室内温度分布，隔热层内温度分布，温度随时间的变化曲线等，相关结果如下所示：图8为本次瞬态计算的残差曲线：图8 瞬态计算残差曲线图9为冷藏室几何中心点温度从环境温度35℃下降到工况温度5℃的温度时间曲线：图9 冷藏室中心点温度时间曲线从该曲线图可知，达到冷藏工况温度5℃约需3459秒，即冷藏室在1小时内从35℃环境温度降到5℃。

图10为冷冻室几何中心点温度从环境温度35℃下降到-12℃的温度时间曲线，由于计算时间限制，没能算到下降到工况温度-18℃的时间点，根据曲线斜率估计，达到-18℃所需时间大约为2小时。

图10冷冻室中心点温度时间曲线图11为Z=300mm处的温度曲线：图11 Z=300mm处的温度曲线图12为温度冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处截面的速度曲线：(a)(b)图12 Z=300mm处的速度曲线(a)冷藏室 (b)冷冻室图13为温度冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处截面的速度云图：图13 冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处截面的速度云图由图可知，冷藏室和冷冻室速度低于0.365m/s,而且靠近中心点处的速度变化较小，速度梯度较大的区域主要存在于冷藏室和冷冻室的上方和底部角落部位。

图14为z=300mm处冷藏室与冷冻室中间部分隔热层的温度分布图，由图可见，隔热层内温度从冷凝器附近的40℃下降到12.7℃。

图14 冷藏室温度达到5℃时Z=300mm处隔热层温度分布云图2.7 结论分析表明，通过功能Icem网格划分软件生成的高质量网格，采用Fluent求解器求解能够满足冰箱温度设计的需求，其可靠性好，计算精度高，并行计算求解速度快，非常适合制冷行业的需求。

ReferenceANSYS 12.0 FLUENT THEORY GUIDE/USER GUIDEANSYS 12.0 ICEM USER GUIDE安世亚太深圳分公司唐琼辉2009-04-12。