冷藏箱温度场的数值模拟及其优化
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表 1 边界条件 参数 环境温度/K 蒸发温度/K 保温层厚度/ mm 保温层导热系数/(W/(m·K)) 强制对流壁面传热系数/(W/(m2·K)) 强制对流前门传热系数/(W/(m2·K)) 自然对流壁面传热系数/(W/(m2·K)) 自然对流前门传热系数/(W/(m2·K)) 数值 305.15 268.15 50 0.02 0.499 1.543 0.358 0.696
(5)
其中：
U
(u , v , w )
(6) (7) (8)
P ( Px , Py , Pz )
x y z
。环境温 式中：
x
2 2
y
2 2
z
2 2
(9)
度已知，环境与箱体外壁之间的传热属于第三类边 。 为了得到箱体内流场与温度场的分布情况，本 文建立了流体流动和传热数学模型。在计算区域内， 流体的流动和传热特性应该满足质量、动量与能量 守恒方程。在建立数学模型时做出如下假设
μ——空气动力粘度，Pa·s； t——时间，s； T——温度，K。
3 计算结果分析
3.1 仿真模型的验证 为了验证所建数学模型的有效性，将图 1 所示 的冷藏箱内仿真结果中各点的数据与实验测试结 果数据进行对比分析，如表 2 所示，其中#1、#2、 #3 分别为箱体上层中心、中心、底层中心，#4 为 箱体下左外，#5 为上左外，#6 为上右里，具体如 图 1 中所注。 从表 2 中我们可以看到，仿真结果与实验结果 符合较好，最大偏差不超过 1.33%，验证了所建数 学模型的可靠性，数值模拟的结果能够反映内部流 场与温度场的分布规律，可以用于分析研究冷藏箱 内部温度场和流场的优化。在此基础上，为了提高 箱内温度场的均匀性，针对该冷藏箱内流场与温度 场的分布情况，对原有结构进行改进，改进后两种 方案的物理模型如图 2 所示。 方案一将冷藏箱的制冷系统布置在箱体下部， 同样忽略掉除蒸发器以外的部件，3 个轴流式风扇 布置在 U 型蒸发器的后部，风道布置在箱体后部， 送风口布置在箱体上部，垂直向下送风。方案二对 冷藏箱原制冷系统的位置不做改动，将原出风口由 矩形改为圆形，并向下布置，具体如图 2 所示。
2 网格划分及边界条件
冷藏箱箱体内部区域和风道区域采用 Tet/Hybrid 网格形式进行非结构化网格划分，由于 不同部件网格划分完成之后可能无法实现网格节 点的一一对应，因此部件间的网格交界面用 interior，使之能够更好地交接。 冷藏箱开机时，风机启动，此时风道和箱体是 联通的，换热方式为强制对流，箱体模型中简化风 机模型，将风机区域做边界条件处理，风机出口位 置设置为压力入口 30 Pa，进风口位置设置为压力 出口 0 Pa，残差精度为 10-6；冷藏箱停机时，风机 停止工作，箱体内换热方式为自然对流，风道与箱 体内部空气循环量少，可忽略不计，因此仿真时可 去除风道区域仅模拟箱体内部空气流动情况。假设 强制对流和自然对流时的环境温度相同，但箱体内 部温度不同，两者的壁面综合换热系数亦不同，需 分别考虑。箱体内流体流速比较低，因此不考虑气 体的粘性[14]。
[11] [10]
( v) ·( Uv ) P y ·U t
(w ) ·( U w ) P z ·U g t
(3) (4)
3）能量方程
(T ) K · T U ( ·T ) t cP
[7]
回风口 进风口
#6 #5 #2 #1
Z Y
X
中的粘性耗散。
1,523
根据上述假设，计算中考虑了壁面辐射的影 响，设定模型为标准的湍流模型。数值仿真所采用 的控制方程如下。 1）连续性方程
风 道
#3
Z X
#4 1,025
563
· U 0
(1) (2)
(a) 模型剖面图
(b) 模型三维图
0 引言
随着中国经济的快速发展，低温冷藏箱越来越 受到人们的关注，广泛地被应用于医疗卫生领域。 国内对低温冷藏箱需求量很大，但国产冷藏箱市场 占有率较低，技术相对落后于发达国家，有待进一 步研究发展[1]。对于冷藏箱而言，温度不仅能够影 响能耗和效益，更是能够影响冷藏物品的活性；因 此，长久以来，如何控制温度的稳定性、均匀性进 而提高其经济效益和社会效益已成为各国学者的 研究重点[2-3]。针对这一问题，国内外的研究学者在 冷藏箱的制冷系统设计、箱体的优化设计、制冷剂 的选择以及新的制冷技术的应用等方面做了大量 的研究工作[4-6]。通过应用 CFD 数值模拟软件对箱
表 2 仿真结果与实验结果对比分析 比较点 #1 #2 #3 #4 #5 #6 仿真结果/K 277.58 276.42 274.43 276.47 280.46 279.66 实验结果/K 277.95 276.55 274.1 276.65 280.65 279.55
蒸发器
偏差/K 0.37 0.13 0.33 0.18 0.19 0.11
39
第35卷第3期 2015年6月
制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
的 分 布 情 况， 并 根 据 冷藏 箱 的 实 际结 构 ， 采 用 GAMBIT 软件建立的物理模型结构如图 1 所示。 为 了仿真的方便，对现有实验测试样机的箱体内部结 构做了一些简化，将箱体内部视为空腔结构 。箱 体的尺寸为 563 mm×1,025 mm×1,523 mm，强制风 冷系统，箱体内温度恒定控制在 275.15~281.15 K； 前为透明中空玻璃，其他面为钢板和隔热材料，前 门框两侧竖直安装照明灯。3 个回风口布置在蒸发 器的前部，并且有 3 个轴流式风扇；风道布置在箱 体后部，送风口以一定角度向下送风。
1 计算模型
1.1 物理模型 为了分析间冷式冷藏箱箱体内温度场与流场
*李成祥（1987-）男，在读研究生。研究方向：冷藏箱流场与温度场的数值模拟。联系地址：山东省青岛市市南区宁夏路 308 号青岛大学，邮编：266071。联系电话：15865548852。E-mail：wdechang@163.com。
Numerical Simulation and Optimization of Temperature Field inside a Freezer
LI Cheng-xiang*1, CHEN Jian-dong2，LI Na1, WANG De-chang1
(1-Energy Engineering Research Institution, Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071, China; 2-Jiangsu ChangFa Refrigration CO., LTD., Changzhou, Jiangsu 213000, China)
第35卷第3期 2015年6月
制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
Leabharlann Baidu
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.109
冷藏箱温度场的数值模拟及其优化
李成祥1，陈建东2，李娜1，王德昌1
蒸发器 轴流风扇
1）开机后，蒸发器的温度设为恒定；停机后， 考虑蒸发器的蓄冷对箱体内流场与温度场的影响 （为求解方便，蒸发器温度亦为恒值，此值为实验 所测停机后蒸发器温度的平均值） 。 2） 因箱体内的温度要求为 275.15 K~281.15 K， 故忽略箱体内的相变过程，即箱体内的空气为干空 气且为不可压缩的牛顿流体，且 cp 为定值。 3）强制对流时，箱体内空气流动为湍流；自 然对流时，流体流动为稳定层流。 4）箱体内空气在内壁面上流动属于无滑移边 界条件。 5）满足 Boussinesq 假设，即：忽略不计流体
（1-青岛大学能源工程研究所，山东青岛 266071；2-江苏常发制冷股份有限公司，江苏常州 213000） [摘 要] 本文用 FLUENT 软件对间冷式冷藏箱的流场与温度场进行数值模拟， 分别模拟了冷藏箱开机 15
分钟强制对流和停机 3 分钟自然对流时箱体内流场与温度场的分布情况。计算结果与实验测试结果互相一 致，得出模拟结果的真实可靠性。模拟结果为箱体内流场与温度场的均匀性分布提供了理论支持，为改进 箱体风道结构以及送回风方式做出初步探索。 [关键词] 冷藏箱；温度场；流场；优化
40
[12-13]
u、v、w——x、y、z 方向的速度，m/s； P——压强，Pa；
——密度，kg/m3；
cp——定压比热容，kJ/(kg·K)； K——传热系数 W/(m2·K)；
。
第35卷第3期 2015年6月
李成祥等：冷藏箱温度场的数值模拟及其优化
Vol.35, No.3 Jun. 2015
2）动量方程
(u ) ·( Uu ) P x ·U t
图 1 改进前物理模型
1.2 数学模型 冷藏箱坐标系如图 1 所示， 用 FLUENT 仿真模 拟可以抽象为侧面加热的矩形空腔。当雷诺数很小 时，流动相对稳定，而当雷诺数较大时，便会产生 Hopf 分歧。对于箱体而言，雷诺数较小，流动的解 是唯一且稳定的[8-9]。 采用风机和压机同步运行的方式，根据实验测 试数据，同步运行 15 分钟，停止 3 分钟。因此， 在仿真模拟中该冷藏箱系统内部的空气流动存在 两种换热情况：风机运行时为强制对流换热，风机 停机后为自然对流换热。把整个箱体作为研究对 象，包括蒸发器、风扇、箱体以及内部的空气，把 箱体的外壁面作为边界；计算过程中，将箱体内部 的对流换热和保温层的热传导统一求解 界条件
[Abstract] The computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT was used to simulate the temperature field and flow field inside an indirect cooling freezer. It simulated the distribution of temperature field and flow field inside the cabinet with force convection in 15 minutes and the natural convection in 3 minutes. The computing results matched well with the experimental results, and the dependability of the simulation results was obtained. It provides theoretical support for uniform distribution of temperature field and flow field inside the cabinet, making a preliminary exploration to improve the box structure and air supply. [Keywords] Freezer; Temperature field; Air flow field; Optimization
体内的温度分布进行预测，为改进箱体的结构与系 统的设计提供了参考意见。 本文以 940 L 立式间冷式冷藏箱为研究对象， 建立了箱体内部空气流动的仿真模型，利用计算流 体力学仿真软件 CFD 对其流场与温度场进行了数 值模拟仿真，并将仿真结果与目前的立式间冷式冷 藏箱样机的运行实验结果进行对比，证明了模拟结 果的可靠性。通过对不同气流组织形式下箱内温度 场和速度场的数值仿真，提出了改善箱内流场与温 度均匀性的方法。
(5)
其中：
U
(u , v , w )
(6) (7) (8)
P ( Px , Py , Pz )
x y z
。环境温 式中：
x
2 2
y
2 2
z
2 2
(9)
度已知，环境与箱体外壁之间的传热属于第三类边 。 为了得到箱体内流场与温度场的分布情况，本 文建立了流体流动和传热数学模型。在计算区域内， 流体的流动和传热特性应该满足质量、动量与能量 守恒方程。在建立数学模型时做出如下假设
μ——空气动力粘度，Pa·s； t——时间，s； T——温度，K。
3 计算结果分析
3.1 仿真模型的验证 为了验证所建数学模型的有效性，将图 1 所示 的冷藏箱内仿真结果中各点的数据与实验测试结 果数据进行对比分析，如表 2 所示，其中#1、#2、 #3 分别为箱体上层中心、中心、底层中心，#4 为 箱体下左外，#5 为上左外，#6 为上右里，具体如 图 1 中所注。 从表 2 中我们可以看到，仿真结果与实验结果 符合较好，最大偏差不超过 1.33%，验证了所建数 学模型的可靠性，数值模拟的结果能够反映内部流 场与温度场的分布规律，可以用于分析研究冷藏箱 内部温度场和流场的优化。在此基础上，为了提高 箱内温度场的均匀性，针对该冷藏箱内流场与温度 场的分布情况，对原有结构进行改进，改进后两种 方案的物理模型如图 2 所示。 方案一将冷藏箱的制冷系统布置在箱体下部， 同样忽略掉除蒸发器以外的部件，3 个轴流式风扇 布置在 U 型蒸发器的后部，风道布置在箱体后部， 送风口布置在箱体上部，垂直向下送风。方案二对 冷藏箱原制冷系统的位置不做改动，将原出风口由 矩形改为圆形，并向下布置，具体如图 2 所示。
2 网格划分及边界条件
冷藏箱箱体内部区域和风道区域采用 Tet/Hybrid 网格形式进行非结构化网格划分，由于 不同部件网格划分完成之后可能无法实现网格节 点的一一对应，因此部件间的网格交界面用 interior，使之能够更好地交接。 冷藏箱开机时，风机启动，此时风道和箱体是 联通的，换热方式为强制对流，箱体模型中简化风 机模型，将风机区域做边界条件处理，风机出口位 置设置为压力入口 30 Pa，进风口位置设置为压力 出口 0 Pa，残差精度为 10-6；冷藏箱停机时，风机 停止工作，箱体内换热方式为自然对流，风道与箱 体内部空气循环量少，可忽略不计，因此仿真时可 去除风道区域仅模拟箱体内部空气流动情况。假设 强制对流和自然对流时的环境温度相同，但箱体内 部温度不同，两者的壁面综合换热系数亦不同，需 分别考虑。箱体内流体流速比较低，因此不考虑气 体的粘性[14]。
[11] [10]
( v) ·( Uv ) P y ·U t
(w ) ·( U w ) P z ·U g t
(3) (4)
3）能量方程
(T ) K · T U ( ·T ) t cP
[7]
回风口 进风口
#6 #5 #2 #1
Z Y
X
中的粘性耗散。
1,523
根据上述假设，计算中考虑了壁面辐射的影 响，设定模型为标准的湍流模型。数值仿真所采用 的控制方程如下。 1）连续性方程
风 道
#3
Z X
#4 1,025
563
· U 0
(1) (2)
(a) 模型剖面图
(b) 模型三维图
0 引言
随着中国经济的快速发展，低温冷藏箱越来越 受到人们的关注，广泛地被应用于医疗卫生领域。 国内对低温冷藏箱需求量很大，但国产冷藏箱市场 占有率较低，技术相对落后于发达国家，有待进一 步研究发展[1]。对于冷藏箱而言，温度不仅能够影 响能耗和效益，更是能够影响冷藏物品的活性；因 此，长久以来，如何控制温度的稳定性、均匀性进 而提高其经济效益和社会效益已成为各国学者的 研究重点[2-3]。针对这一问题，国内外的研究学者在 冷藏箱的制冷系统设计、箱体的优化设计、制冷剂 的选择以及新的制冷技术的应用等方面做了大量 的研究工作[4-6]。通过应用 CFD 数值模拟软件对箱
表 2 仿真结果与实验结果对比分析 比较点 #1 #2 #3 #4 #5 #6 仿真结果/K 277.58 276.42 274.43 276.47 280.46 279.66 实验结果/K 277.95 276.55 274.1 276.65 280.65 279.55
蒸发器
偏差/K 0.37 0.13 0.33 0.18 0.19 0.11
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第35卷第3期 2015年6月
制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
的 分 布 情 况， 并 根 据 冷藏 箱 的 实 际结 构 ， 采 用 GAMBIT 软件建立的物理模型结构如图 1 所示。 为 了仿真的方便，对现有实验测试样机的箱体内部结 构做了一些简化，将箱体内部视为空腔结构 。箱 体的尺寸为 563 mm×1,025 mm×1,523 mm，强制风 冷系统，箱体内温度恒定控制在 275.15~281.15 K； 前为透明中空玻璃，其他面为钢板和隔热材料，前 门框两侧竖直安装照明灯。3 个回风口布置在蒸发 器的前部，并且有 3 个轴流式风扇；风道布置在箱 体后部，送风口以一定角度向下送风。
1 计算模型
1.1 物理模型 为了分析间冷式冷藏箱箱体内温度场与流场
*李成祥（1987-）男，在读研究生。研究方向：冷藏箱流场与温度场的数值模拟。联系地址：山东省青岛市市南区宁夏路 308 号青岛大学，邮编：266071。联系电话：15865548852。E-mail：wdechang@163.com。
Numerical Simulation and Optimization of Temperature Field inside a Freezer
LI Cheng-xiang*1, CHEN Jian-dong2，LI Na1, WANG De-chang1
(1-Energy Engineering Research Institution, Qingdao University, Qingdao, Shandong 266071, China; 2-Jiangsu ChangFa Refrigration CO., LTD., Changzhou, Jiangsu 213000, China)
第35卷第3期 2015年6月
制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
Leabharlann Baidu
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.109
冷藏箱温度场的数值模拟及其优化
李成祥1，陈建东2，李娜1，王德昌1
蒸发器 轴流风扇
1）开机后，蒸发器的温度设为恒定；停机后， 考虑蒸发器的蓄冷对箱体内流场与温度场的影响 （为求解方便，蒸发器温度亦为恒值，此值为实验 所测停机后蒸发器温度的平均值） 。 2） 因箱体内的温度要求为 275.15 K~281.15 K， 故忽略箱体内的相变过程，即箱体内的空气为干空 气且为不可压缩的牛顿流体，且 cp 为定值。 3）强制对流时，箱体内空气流动为湍流；自 然对流时，流体流动为稳定层流。 4）箱体内空气在内壁面上流动属于无滑移边 界条件。 5）满足 Boussinesq 假设，即：忽略不计流体
（1-青岛大学能源工程研究所，山东青岛 266071；2-江苏常发制冷股份有限公司，江苏常州 213000） [摘 要] 本文用 FLUENT 软件对间冷式冷藏箱的流场与温度场进行数值模拟， 分别模拟了冷藏箱开机 15
分钟强制对流和停机 3 分钟自然对流时箱体内流场与温度场的分布情况。计算结果与实验测试结果互相一 致，得出模拟结果的真实可靠性。模拟结果为箱体内流场与温度场的均匀性分布提供了理论支持，为改进 箱体风道结构以及送回风方式做出初步探索。 [关键词] 冷藏箱；温度场；流场；优化
40
[12-13]
u、v、w——x、y、z 方向的速度，m/s； P——压强，Pa；
——密度，kg/m3；
cp——定压比热容，kJ/(kg·K)； K——传热系数 W/(m2·K)；
。
第35卷第3期 2015年6月
李成祥等：冷藏箱温度场的数值模拟及其优化
Vol.35, No.3 Jun. 2015
2）动量方程
(u ) ·( Uu ) P x ·U t
图 1 改进前物理模型
1.2 数学模型 冷藏箱坐标系如图 1 所示， 用 FLUENT 仿真模 拟可以抽象为侧面加热的矩形空腔。当雷诺数很小 时，流动相对稳定，而当雷诺数较大时，便会产生 Hopf 分歧。对于箱体而言，雷诺数较小，流动的解 是唯一且稳定的[8-9]。 采用风机和压机同步运行的方式，根据实验测 试数据，同步运行 15 分钟，停止 3 分钟。因此， 在仿真模拟中该冷藏箱系统内部的空气流动存在 两种换热情况：风机运行时为强制对流换热，风机 停机后为自然对流换热。把整个箱体作为研究对 象，包括蒸发器、风扇、箱体以及内部的空气，把 箱体的外壁面作为边界；计算过程中，将箱体内部 的对流换热和保温层的热传导统一求解 界条件
[Abstract] The computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT was used to simulate the temperature field and flow field inside an indirect cooling freezer. It simulated the distribution of temperature field and flow field inside the cabinet with force convection in 15 minutes and the natural convection in 3 minutes. The computing results matched well with the experimental results, and the dependability of the simulation results was obtained. It provides theoretical support for uniform distribution of temperature field and flow field inside the cabinet, making a preliminary exploration to improve the box structure and air supply. [Keywords] Freezer; Temperature field; Air flow field; Optimization
体内的温度分布进行预测，为改进箱体的结构与系 统的设计提供了参考意见。 本文以 940 L 立式间冷式冷藏箱为研究对象， 建立了箱体内部空气流动的仿真模型，利用计算流 体力学仿真软件 CFD 对其流场与温度场进行了数 值模拟仿真，并将仿真结果与目前的立式间冷式冷 藏箱样机的运行实验结果进行对比，证明了模拟结 果的可靠性。通过对不同气流组织形式下箱内温度 场和速度场的数值仿真，提出了改善箱内流场与温 度均匀性的方法。