[中国电器科学研究院股份有限公司， 510860]
摘 要：本文是对某TMF型（上冷冻、下冷藏式）风冷冰箱的冷冻风道进行CFD仿真，得到冷冻风道的流线图，压力云图，风道各出风口的出风量和占比数据。分析出，风扇与风道腔体边界距离偏小，空气撞击在边界上易形成局部涡流，增大风道局部阻力；风道左上，右上两出风口风量不均匀，右上出风口相对左上出风口流线密度有降低，出风口风速降低。并进行实验测试风道的各出风口风量，同仿真结果进行对比，测得各处风口风量趋势和仿真结果一致。
关键词：风冷冰箱 CFD仿真 风道 风量
1：引言
随着当今人们对品质生活的需求不断提升，用户对食材储存的也提出了更高的要求。这对冰箱的性能和品质就有了更高要求，这促使风冷冰箱逐步替代直冷冰箱，风冷冰箱的市场占有率日益提高。风冷冰箱使用更便利，功能更齐全，具有自动化霜，速冻速冷，多功能存储空间，保鲜除菌等功能。风冷冰箱是利用风扇对箱内空气进行强制对流冷却，冰箱室内温度均匀性则是要面对的问题，这就需要对风冷冰箱的风道进行合理的设计。而传统的试制样机，根据样机测试结果再反复调整的方法设计周期长，成本高，采用CFD仿真技术对冰箱进行设计是一种更高效的方法，现应用CFD软件对冰箱风道及温度场进行的模拟和研究越来越普遍，有对不同结构类型的风冷冰箱温度场和流场进行了仿真分析[1],也有将冰箱冷藏室冷冻室的风道作为仿真对象[2]，分析其对冰箱冷藏室冷冻室空气流场和温度场的影响。
本文是以某款TMF风冷冰箱的冷冻风道为仿真对象，利用CFD软件分析其风道腔体内的流场状况，风道各出风口的风量及占比数据。并通过实验测试风道各出风口的风量，同仿真结果进行对比。仿真结果和实验结果趋势一致，证明了CFD仿真技术的可靠性，可以为风道的结构优化提供方向和建议。
2：风道CFD仿真
2.1：仿真方法
本文是以某款TMF风冷冰箱达到冷冻风道为仿真对象，仿真过程分为以下4个步骤：（1）建立冷冻风道几何模型，在冰箱冷冻风道3D图的基础上，对部分结构细节进行简化，得到一个相对简单的风道模型，见图1。建模过程虽然十分繁琐，但其重点是简化了的风道模型得保证风道流场不受影响；（2）网格划分，对风道模型进行网格划分，风道主体部分和旋转区域均使用四面体网格进行划分，并对离心风扇壁面边界层网格进行加密，见图2，节点数量为88万，网格数量为 449万；（3）求解器设置，设置各项模拟参数，关闭能量方程，选择k-epsilon湍流模型；设置旋转区域，选择风扇速度为：1500RPM；设置风扇边界条件，相对旋转区域的旋转速度为0，设置风口压力等；（4）求解，得到风道整体压力云图，流线图，以及风道各出风口的风量、风速和占比数据。
图1 图2
2.2：仿真结果分析
对风道模型进行仿真求解，得到的风道压力云图，见图3，和风道流线图，见图4。可以得出：
（1）风扇同风道腔体边界距离小，尤其是风扇顶部区域，空气剧烈撞击在风道腔体边界上，形成局部的涡流，会导致风道的局部阻力增大。风扇位置需要下移，消减风道腔体边界处的涡流，减少局部阻力；
（2）风道左上，右上两出风口风量不均匀，右上出风口相对左上出风口的流线密度有降低，出风口的风速降低。风道腔体的对称结构需调整，以及减小风道腔体边界突变程度，使出风流线更流畅；
（3）风道左中出风口和右中出风口，流线密度低，风口风速低。且此两处出风口距离风道回风口近，从此两处出风口流出的气流易直接进入回风口。左中出风口，右中出风口需调整以提高风口的风速；
3：实验结果对比
使用热线式风速仪对风道各出风口的风速进行测量，乘以风口面积和空气密度，则得到风量。为提高风速测量的准确度，对左上出风口，右上出风口进行5点测量，左中出风口，右中出风口进行2点测量。风口位置序号见图5。
图5
在环温25℃下（空气密度和仿真所用流场介质密度一致），风速仪测得各出风口的风量结果同仿真结果进行对比，见表1。
名称 | 序号 | 仿真数据 | 实验数据 | 偏差 | ||||||
风量（kg/s） | 风速（m/s） | 占比（%） | 合计（%） | 风量（kg/s） | 风速（m/s） | 占比（%） | 合计（%） | % | ||
冷冻左上出风口 | 1 | 0.00224983 | 3.22 | 11.9% | 45.0% | 0.00205695 | 2.94 | 12.1% | 47.5% | -9.4% |
2 | 0.00245107 | 3.30 | 12.9% | 0.00235054 | 3.16 | 13.8% | -4.3% | |||
3 | 0.00226256 | 3.16 | 11.9% | 0.00225009 | 3.14 | 13.3% | -0.6% | |||
4 | 0.00157489 | 2.55 | 8.3% | 0.00140725 | 2.28 | 8.3% | -11.9% | |||
冷冻右上出风口 | 1 | 0.00188206 | 2.77 | 9.9% | 36.5% | 0.00149384 | 2.20 | 8.8% | 36.9% | -26.0% |
2 | 0.00192843 | 2.69 | 10.2% | 0.00185081 | 2.58 | 10.9% | -4.2% | |||
3 | 0.00181516 | 2.60 | 9.6% | 0.00167733 | 2.40 | 9.9% | -8.2% | |||
4 | 0.00128862 | 2.11 | 6.8% | 0.00123536 | 2.02 | 7.3% | -4.3% | |||
冷冻左中出风口 | 1 | 0.00027100 | 2.04 | 1.4% | 9.2% | 0.00028462 | 2.68 | 1.7% | 8.5% | 4.8% |
2 | 0.00026961 | 2.06 | 1.4% | 0.00025836 | 2.47 | 1.5% | -4.4% | |||
3 | 0.00026525 | 2.05 | 1.4% | 0.00024608 | 2.38 | 1.4% | -7.8% | |||
4 | 0.00025624 | 2.06 | 1.4% | 0.00020629 | 2.07 | 1.2% | -24.2% | |||
5 | 0.00024422 | 2.14 | 1.3% | 0.00016618 | 1.82 | 1.0% | -47.0% | |||
6 | 0.00022844 | 2.25 | 1.2% | 0.00015677 | 1.93 | 0.9% | -45.7% | |||
7 | 0.00021162 | 2.22 | 1.1% | 0.00013244 | 1.74 | 0.8% | -59.8% | |||
冷冻右中出风口 | 1 | 0.00021085 | 1.94 | 1.1% | 9.3% | 0.00019382 | 2.23 | 1.1% | 7.1% | -8.8% |
2 | 0.00023016 | 1.96 | 1.2% | 0.00019550 | 2.08 | 1.2% | -17.7% | |||
3 | 0.00024567 | 1.98 | 1.3% | 0.00015683 | 1.58 | 0.9% | -56.6% | |||
4 | 0.00025739 | 2.01 | 1.4% | 0.00015385 | 1.50 | 0.9% | -67.3% | |||
5 | 0.00026751 | 2.07 | 1.4% | 0.00016337 | 1.58 | 1.0% | -63.7% | |||
6 | 0.00027534 | 2.12 | 1.5% | 0.00017671 | 1.70 | 1.0% | -55.8% | |||
7 | 0.00028008 | 2.16 | 1.5% | 0.00016257 | 1.57 | 1.0% | -72.3% | |||
总风量 | 0.01896599 | 0.01697555 | -11.7% | |||||||
表1
实验结果和仿真结果对比分析：
(1)仿真总风量和风速仪测得总风量偏差为11.7% .风量上存在较大的偏差原因是：a）仿真中设定的各项参数同实验状态是有差异的；b）仿真所用风道模型和冰箱风道实物是有差异的；c）热线式风速仪测得风速是某一点的风速，虽然已经用多点测量的方法来提高准确度，但仍难以准确得出风口整个面的风速；
(2)仿真结果中左上出风口风量占比为：45.0%，右上出风口风量占比为：36.5%，通过风速仪测得左上出风口风量占比为：47.5%，右上出风口风量占比为：36.9%，偏差分别为：2.5%和0.4%；
(3) 仿真结果中左中出风口风量占比为：9.2%，右中出风口风量占比为：9.3%，通过风速仪测得左中出风口风量占比为：8.5%，右中出风口风量占比为：7.1%，偏差分别为：-0.7%和-2.2%；
综上所述，虽然实验测得的总体风量和仿真结果存在11.7%的偏差，但是两者的各出风口风量占比数据是一致的。这说明仿真结果和实验结果，在风道的风量分配趋势上是一致的，通过仿真来进行风道的设计是可行的。
4：结论
对于风冷冰箱的风道设计，传统的样机试制方法设计周期长，成本高，使用CFD软件对风道进行仿真分析，不仅高效，而且通过对风道内的流场分析，能更清晰了解到风道改进优化的方向。并通过实验测得风量数据，同仿真结果进行对比，两者的整体趋势是一致的，因此借助CFD仿真对冰箱风道系统进行设计优化是可行的。
参考文献
[1]吴小华, 吴业正, 曹小林. 冰箱室内温度场和流场的仿真及结构优化[J]. 制冷学报, 2004, 1: 36-38.
[2]夏国青，陈秀鹏，周璇，陈佳，风冷冰箱风道系统的仿真分析与实验研究[A];2019年中国家用电器技术大会论文集[C];2019年：59-63.
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