fluent笔记

1．2．2冰箱内空气流动的模拟

由于箱内空气分布受到诸多因素的影响，故揭示其分布规律比较困难。传统的作法是通过模型实验，得出经验或半经验的公式，然后在这些公式的基础上进行气流组织的计算。有时难以模拟出复杂的空间流动的全部特征，同时由于实验条件不同，得出的公式也各异，因此局限性也很大。近年来，计算流体力学(CFD)取得了很大的发展，出现了一批优秀的流体计算软件，如FLUENT／FIDAP、PHONENICS、CFX、STAR．CD等。以前也出现了冰箱内非稳态自然对流的二维数值模拟研究，这些文献大都集中于简单腔室的情况，而且边界条件也往往相当简单。给出了在周期性非稳态工况下速度场与温度场的数值计算结果，考察了几个参考点上的温度随时间的变化，如图1-1所示。对这些问题的恰当解决，可为最终对冰箱进行三维模拟奠定基础。后来出现了冰箱中空气流场和温度场的有限元模拟，在研究中使用有限元程序

图1-l冰箱内流场和温度场的数值模拟

Fig．1-1 Numerical simulation of flow field and temperature field in refrigerator

FIDAP对冰箱内部的二维稳态空气流场进行了模拟，如图1．2所示。可以较好地 分析冰箱内部结构对空气流动的影响，反映箱内各点的温度场，但是由于忽略了第三维导热对于流场的影响，计算各点温度绝对值略与实验值存在一定的差异。

此外，还有研究采用了ANSYS／Multiphysics的流固耦合功能对科龙集团生产的某一款双门电冰箱进行分析计算，分别如图1—3和图1．4所示。它最终确定整个流体一固体系统的温度场。从其结果可以看出ANSYS／Multiphysics的流耦合功能处理流体一固体系统的温度场问题的方法具有可行性。但是，它主要局限于温度场的模拟，对流场的模拟比较少。

需要指出的是，在直冷冰箱中，气体流动可以视为自然对流。气体是由于温度变化而引起的密度变化所产生的浮升力所驱动的，所以在模拟的过程中不能将温度场和流场分别单独模拟，而是需要同时进行

图1．2正常边界条件下的速度场和温度场

Fig．1-2 Flow field and temperature field under normal boundary condition

图1．3冰箱内空气温度分布云图

Fig．1—3 Contours of temperature field in refrigerator

图1-4冰箱内空气流动向量图

Fig．1-4 Vectors of air flow in refrigerator

1．3本课题的研究意义

本课题将主要采用CFD软件Fluent在计算机上模拟冰箱内部三维空气流场和温度场，并且结合实验研究，对于不同型式的冰箱冷藏室内部结构进行了比较分析，研究了冷藏室内部搁板与蒸发器之间的间距、内部隔板的导热系数以及蒸发器形式对于箱内流场和温度场的影响，并提出了优化冰箱箱内温度场的建议。冰箱中的食物保存质量直接依赖于箱内的空气流场和温度分布，型式试验时的冰箱耗电量也同箱内温度场密切相关，所以温度场与流场的优化是冰箱设计中的重要问题。按照冰箱测试要求，冷藏箱中代表空气温度的三个测试点的温度必须在0至10度之间，而且平均温度在开停机过程中必须在5度以下。如果箱内空气温度差很小的话，上面的要求是很好满足的，而且冰箱每次开机和停机的时间都可以设定得较长，开停机的次数就较少，开停机损失也就小了。但是现在的家用冰箱容积大型化，标准测试点的温度差也随之增大，由此带来的一系列问题必须解决。当测点间温度差较大时，开机时间一长，就可能使温度较低点出现负温，而停机时间一长，温度较高点则可能已高于10度。这样必须频繁地开停机，从而增加开停机损失，增加冰箱的耗电量。对于冷冻冷藏箱，在做冷冻能力实验时，冷藏箱中的空气温度一般都会达到较正常开停机时更低的温度，这样很容易导致冷藏箱中空气温度出现负温，而这又是不应该出现的。由于国家标准只关心最高温度，如果冰箱内温度不均匀，存在较大的温差，则会造成冷量的较大浪费，增加冰箱的耗电量。所以我们有必要了解冰箱内的气流

组织，分析温度场不均匀的原因，并加以改进，就可以减少耗电量，

提高冰箱效率。

但是流场的分析既不能靠较简单的代数方程来进行，也不能完全依赖于实验，因为系统地测试各参数对流场的影响，工作量太大。而且准确测量流场需要在流场中布置很多传感器，实际上这样又会破坏流场。数值模拟在近年已成为流场计算和优化的有效工具，但是运用Fluent这～先进的CFD软件进行冰箱的研究还是一种新的尝试。

目前也有一些厂家作了冰箱内部结构方面的研究。根据科龙电器股份有限公司的市场调研和市场信息反馈，消费者普遍认为存在冷藏室太小冷藏室层架不可调的问题。为了解决这一问题，满足消费者的使用行为和生活习惯，有关设计人员将冰箱实用性及内部附件布局优化设计专门作为～个课题进行了研究，希望通过该项研究，能够找到冷藏室与冷冻室最合适的比例；层架之间、门隔板之间的最佳距离，为现有产品改型及新产品开发提供设计参考依据。

对于冰箱的内部结构，调查统计表明，要想内部结构实用，闲置空间应越小越好。冷藏室的其体使用表现在层架的层数和距离上。调查统计结果如下表所示。

表1-1 最理想的冷藏室层数调查统计表

Tab．1-1 Statistical optimal layers of efrigerator

注：①冷藏室层数包括层架果、菜箱盖及箱。②表中数为百分数。

另外，与提高压缩机效率、优化制冷系统、改进隔热材料、加厚隔热层、加大 蒸发器和冷凝器的表面积、采用先进的除霜系统以及电子控制技术等措施相比， 考虑到冰箱耗电量还同箱内温度场密切相关，我们只是改变冰箱内隔板和蒸发器的位置从而实现一定节能，而不需要对冰箱进行较大的改动和投入较大的成本。所以优化冰箱内流场分布，提高蒸发器的传热效率而降低能耗是更加简单和有效的途径。

冰箱内空气流动仿真技术

第二章冰箱的工作原理

2．1冰箱的制冷循环

为了更好的理解冰箱的节能过程，对冰箱制冷循环过程作一个简要的介绍。 2．1．1工作循环

家用电冰箱的制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流毛细管和蒸发器组成，如图2一l所示，系统中充注有一定的制冷剂。

1．冷冻室蒸发器 2．冷藏室蒸发器 3．毛细管 4．回气管 5．防露管 6．冷凝器 7．过滤器 8．压缩机

图2—1电冰箱制冷系统图

Fig．2-1 Refrigeration system of refrigerator

压缩机——电冰箱目前多采用全封闭压缩机，按结构、工作原理又有活塞连杆 式、滑管滑块式、旋转式等，均属于容积式压缩机。其中滑管滑块式选用最为普遍。

冷凝器——电冰箱均采用空气冷却式冷凝器。它又分自然对流和强制对流两类， 但以自然对流为多。自然对流式冷凝器又有外置式和内藏式之分。外置式冷凝器 装在冰箱后部，它有钢丝式、百叶式和钢板式多种。内藏式一般装在冰箱背后或两侧外壁板内侧，以背壁和侧壁板为散热板。

节流毛细管——多采用内径0．4～2．0mm的细铜管，长度约1．5～4．0m左右，

一般通过试验选定。

蒸发器——蒸发器有自然对流式和强迫对流(肋管组合)式两类，分别用于直 冷(单、双门)和吹风(无霜)式电冰箱。自然对流式有铝复合板式、铝板铜管 式、铝板铝管式等结构形式。强迫对流式蒸发器多为铜管铝肋片组合式换热器。 在双门电冰箱的冷藏室内，较多采用单脊肋片管制成的盘管式蒸发器。

制冷剂是制冷设备中的工作介质。整个制冷过程中都伴随着制冷剂状态的变化。因此，讨论制冷系统离不开对各个阶段的制冷剂状态的讨论。

这里以典型的家用电冰箱常采用的单级蒸气压缩式制冷系统为例进行介绍。其循环过程在热力学中又称为“逆向卡诺循环”，即功转换热的过程。其所用制冷剂为R12，图2—2所示是该系统中R12在状态变化示意图。图中用线段分别表示R12在电冰箱工作过程中各个阶段的状态，从状态图中还可以了解到R12的变化过程。

图2—2中各线段的含义如下：

1) 线段12表示对气态R12的压缩，同时伴有温度的升高。

2) 线段22’表示热量的相继减少，即气态制冷剂失去在上一阶段所获得的部分热量，并趋向于饱和气态。在2’处，制冷剂的蒸汽和液体开始共存。

3) 线段2。3’表示制冷剂蒸气继续由气态变为液体，并进一步散失热量。 4) 线段3’3表示制冷剂液体流经一个小截面的限流器。同时压力和温度继续降低。

5) 线段34表示制冷剂液体的膨胀，同时温度进一步降低。

100

图2-2R12状态图

6) 线段41·表示制冷剂液体在膨胀的同时从外界吸热，趋于再次变为气态。 在点4处，液体和蒸气共存。

7) 线段l·1表示制冷剂液体又回到蒸气状态。此时，温度和热量逐渐增加。

C C C

C

O 5 O|^

至此完成循环。

在电冰箱的制冷系统中，R12反复地从气态变为液态。再从液态变为气态。只要压缩机在运转，这种转化状态就始终不断地重复进行。在有些变化阶段，温度和压力升高，而在另一些阶段，温度和压力下降。非常重要的一点是，在论证压力、温度和状态变化时，R12从制冷系统的某一固定部位(蒸发器)吸取热量，