冷藏箱数值模拟的研究

李成祥

（青岛大学，山东 青岛 266071）

0 引言

随着社会的发展，人们生活水平的提高，对冷藏箱的需求也越来越大，同时对冷藏箱的要求也越来越高，不仅要求能够更好的保存物品的质量，而求要求能够节能和环保。如何设计能够更好地满足用户要求的冷藏箱是各个生产厂家面临的主要问题。目前冷藏箱仍然面临着一些问题，比如箱体内部温度场不均匀，某些部位温度超标，影响了物品的保存；压缩机的频繁开停机以及外界环境通过壁面和门封向箱体内部的漏热导致冷藏箱耗能的增加等问题，严重影响着冷藏箱的发展。因此如何更加有效快速的对冷藏箱箱体的结构进行优化，来改善冷藏箱的性能，是国内外学者以及公司设计人员的研究重点[1-2]。

许多企业在设计冷藏箱时还是采用传统的实验方法，不仅耗时耗力，而求很难达到预期的效果。随着计算机技术与数值传热学的结合，计算流体力学软件CFD得到快速的发展，也已运用到了冷藏箱的设计以及结构优化中去，不仅能够缩短设计周期，而且节省了大量的财力。目前，国内外的研究人员在设计冷藏箱时应用CFD有了很多的研究成果。

1 冷藏箱箱体内温度场与流场分析

冷藏箱箱体内温度场与流场的分布是否均匀，不仅影响着保存物品的质量，而且影响着冷藏箱的功耗。温度场与流场的优化如果仅仅靠做实验的方法来进行，不仅周期较长，而且需要大量的人力物力，不符合企业的利益；因为与温度场和流场的分布有关参数有多个，工作量太大，而且如果要测量流场需要布置大量的传感器，这样做又破坏了箱体内温度场与流场的分布[3]。数值模拟仿真能够较真实的模拟箱体内的温度场与流场的实际分布情况，已成为研究人员进行流场计算与优化的重要工具，为冷藏箱箱体的结构优化提供了依据。

为了能够使模型简单，考虑到箱体结构的对称性，很多学者对箱体的二维温度场与流场进行了研究。凌长明，陶文铨建立了冰箱非稳态自然对流换热的二维计算模型，分析三个互不相通空腔内的自然对流换热情况，计算了周期性非稳态工况下温度场和流场的分布[4]。

上海交通大学的丁国良等使用有限元软件FIDA7.6，模拟了冰箱二维稳态自然对流空气流场分布情况，并研究了内部热负荷、隔板以及蒸发器和门之间的间距、内部隔板的导热系数对箱体内部温度场和流场分布的影响[5]。

周湘江等针对冰箱周期性非稳态传热的特点，把导热、对流和辐射作为整体耦合求解，使用二维模型进行模拟仿真得出箱体内传热规律以及辐射的影响[6]。

吴小华采用FLUENT软件建立了冰箱三维几何模型，分别模拟网状和平板搁物架时箱体内温度场和流场的分布，得出了较为合理的结构，同时提出了优化的方向[7]。

于兵应用PHOENICS软件模拟了间冷式冰箱箱内温度场与流场的分布情况，在建立物理模型过程中，对其做出一些简化；通过分析得知，计算结果与实验结果基本吻合，并且可以忽略浮升力的影响[8]。

苏秀平等应用FLUENT软件计算了间冷式冰箱风扇区域流场，采用二阶k-ε湍流模型，风扇叶片区域使用多坐标模型，蒸发器区域使用多空介质模型，提出了风扇盖板的改进措施[9]。

俞炳丰等使用PIV技术测量了间冷式冰箱内部流场，并将采用k-ε紊流模型计算模拟得到的结果与测试结果对比分析，得出计算模型的正确，为箱体的结构优化提供了依据[10]。

2 冷藏箱研究中存在的问题

很多学者为了问题的简化，大都研究了冷藏箱的二维稳态情况，而很少考虑三维非稳态的情况，忽略了整体的影响，因此计算结果有片面性，计算结果的误差较大。数值计算中没有考虑箱体内的辐射换热，而因为箱体各壁面的温差较大，辐射换热对箱体内温度场与流场的分布有着重要的影响[11]。同时，门缝结构对箱体内温度场与流场分布的影响，无论是通过实验的方法还是数值计算方法，存在一定的难度，因此需要更有效的解法。

3 总结

从以上分析可以看出，CFD已在冷藏箱箱体结构设计以及优化发挥了重要的作用，但是还有很多值得我们去探索的地方：

（1）CFD在冷藏箱箱体温度场与流场的计算模拟中已经应用的非常成熟，但是很多都是为了简化问题模拟了箱体的二维稳态情况，对三维非稳态情况涉足较少，而下一步的工作需要考虑所有的箱体壁面辐射换热问题。

（2）模拟计算中通常将箱体作为一个空腔结构，忽略了搁架以及放置物品对冷藏箱内部换热和流场的影响，但实际中搁架及其上的物品对冷藏箱内部温度场和流场分布较大的影响。

（3）蒸发器的位置以及形式对箱体内换热的影响，通常考虑的是它对冷藏箱能耗以及本身换热性能的研究，而忽略了它的位置和形式对箱体的温度场与流场分布的影响。

［1］乔洪涛,卢智利,丁国良,张春路.CFD在冰箱结构优化中的应用现状[J].低温工程,2003(4).

［2］Cezar O.R.Negrao,Christian J.L.Hermes.Energy and cost savings in household refrigerating appliances:A simulation-based design approach[J].Applied Energy,2011,88:3051-3060.

［3］C.Conceicao Antonio,C.F.Afonso.Air temperature fields inside refrigeration cabins:A comparison of results from CFD and ANN mode lling[J].Applied Thermal Engineering,2011,31:1244-1251.

［4］凌长明,陶文铨.冰箱内非稳态自然对流的二维数值模拟[J].西安交通大学学报,1995,29(10):35-41.

［5］Guo Liang Ding,Hong Tao Qiao,Zhi Li Lu.Ways to improve thermal uniformity inside a refrigerator[J].Applied Thermal Engineering,2004,24:1827-1840.

［6］周湘江,凌长明.家用冰箱内传热的非稳态数值研究[J].中南工学院科技通讯,1999,15(1):21-24.

［7］吴小华,张璟,宋春节.冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化[J].北京石油化工学院学报,2006,1(3).

［8］于兵,童灵,阙雄才.间冷冰箱三维气固耦合传热与流动数值研究[J].1998(7).

［9］苏秀平,陈江平,陈芝久,等.间冷式冰箱风扇区域流场的数值模拟和优化[J].上海交通大学学报,2003,37(7):1133-1136.

［10］俞炳丰,费继友,孟祥兆,等.间冷式冰箱冷冻室内流场的PIV测试和计算模拟[J].制冷学报,2003(2):32-36.

［11］Bruno N.Borges,Christian J.L.Hermes,Joaquim.Gonçalves,Claudio Melo.Transient simulation of household refrigerators:A semi-empirical quasi-steady approach[J].Applied Energy,2011,88:748-754.