风冷冰箱改善结霜不均的冷藏回风道优化设计

2021-11-18芮群娜许丹丹杨洪涛廖自敏

日用电器 2021年10期

芮群娜许丹丹杨洪涛廖自敏

（惠而浦（中国）股份有限公司珠海 231283）

引言

风冷冰箱，尤其是单系统风冷冰箱，蒸发器的结霜问题一直制约着其的发展。蒸发器的结霜是不可避免的，而如何降低结霜对冰箱的制冷效率和能耗的影响，对风冷冰箱的发展和提高具有重要的意义。赵宇航[1]在产品测试中发现了某款单系统风冷冰箱蒸发器结霜不匀的问题，他分析单系统风冷冰箱蒸发器结霜不均匀是由于单系统冰箱冷冻冷藏两个间室温度、湿度相差很大，蒸发器霜大部分来自冷藏回风中高湿的空气，并通过建立某单系统对开门冰箱回风模型，分析了回风风道结构对冷藏回风流动的影响，试验验证了单系统冰箱中蒸发器结霜均匀性与冷藏回风均匀性具有强相关性。本文以一款在产的单系统风冷冰箱BCD-409为研究对象，通过仿真分析优化冷藏回风道结构，并结合试验验证，再次验证了通过改善冷藏回风道设计改善蒸发器结霜的有效性。

1 研究现状

关于风道的仿真分析，大多数学者都集中在研究冷藏室或者冷冻室的送风风道分析上，因其直接关系着间室的制冷效率，影响着能耗、降温速度、储藏温度等制冷能力，而学者们对于冰箱回风道的研究较少，其中李智强[2]通过试验对蒸发器的结霜分布、化霜加热器的热量分布进行测试，了解其结霜和化霜现状，且与现状态的蒸发器结霜分布与化霜加热器的热量分布并不对应，然后通过对冷藏回风道进行温度场和流场分布仿真分析，得出现方案的回风道流场和温度度场分布并不均匀，以此对回风道进行优化，通过增加导流片和回风口出口截面积的方法（如图1），来提高流场和温场分布均匀性，最后经试验验证，实际化霜时间缩短了21 min，降低了化霜功耗。相同的，韩丽丽[3]通过仿真分析和测试相结合手段，改变回风道的宽度，增加回风与蒸发器的接触面积，与加热器热量分布进行对比，设计出新的回风道结构，使化霜时各处化霜同时完成。经试验验证，改进后的结构使化霜时间缩短了28.6 %，化霜引起的冷冻室温升降低了22.5 %。他们的研究成果为我们提高化霜效率、降低并行能耗提供了新思路，为风冷冰箱的设计指明了新的方向。

图1 回风道结构优化案例

鉴于以上研究结果，考虑到由于回风道结构两端均需要与冰箱箱体的箱胆进行装配，若变更其装配尺寸，则需要涉及到冷藏和冷冻箱胆，甚至箱体发泡模具的变动，成本较大，故本文从改动较为经济的冷藏回风道内部结构入手，结合CAE仿真分析软件，对冷藏回风道进行流体分析及优化。

2 理论模型与计算模型

本文以一款单系统风冷冰箱为研究对象，所涉及的回风道结构，主要包含了进口、出口以及风道内部用于对风进行导流的导流片，其中入口为一个大的入口，安装位置在对应冷藏室背部右侧靠下的回风口处，出风口为6个大小不均的出口，置于冷冻室贴近蒸发器底部的背部处，其中出口1对应冰箱左侧位置，出口6对应并冰箱右侧位置，根据实际三维模型简化后的物理模型如图2所示。

图2 冷藏回风道模型

在建立数值模型时，需要满足的控制方程如下：

质量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

t —时间；

V—速度。

动量守恒方程：

式中：

ρ—密度；

t —时间；

V—速度；

f—体积力；

p—压力；

λ—膨胀粘性系数或称第二粘性系数；

µ—动力粘性系数；

ε—变形率张量。

能量守恒定律：

式中：

ρ—密度；

e—内能；

t —时间；

p—压力；

k—热传导系数；

q—热源项；

φ—耗散函数。

2.1 湍流模型的选择

针对湍流模拟最常用的是k-ε双方程模型，k-ε模型是针对湍流充分发展的湍流流动来建立的，本文的计算模型中，气流为充分发展的高Re数湍流流动，且包含有旋转风机、多孔介质等流动区域，因此本文在仿真分析中选用适用性更高的Realizable k-ε模型。

模拟计算选择的是回风道进口设置为停滞的进口边界，出风口设置为压力出口边界（P=1.01×105Pa），采用基于压力的SIMPLE压力—速度耦合求解算法对流场进行计算。

考虑到冷藏回风道的结构为不规则形状，其内部含有多个导流片对回风进行导流作用，所以在进行仿真时分别对有无导流片两种情况先进行模拟，用以对比导流片的作用效果，为后续的优化提供方向。

2.2 边界条件的测定

本文选用ANSYS仿真分析软件进行仿真分析，利用结构化网格对冷藏回风道模型进行网格划分，并根据网格的质量调整网格的大小，对于需要关注的部位，可以通过适当加密网格数量的方式来提高网格质量，通过设定边界条件并导入仿真软件中的计算模型后进行仿真计算，从而得出比较精确的仿真结果。

在冷藏回风道边界条件参数的风量测试过程中，实际回风口位置难以测量，若不考虑门封漏冷的情况，因冷藏送风口与回风口的风量基本一致，故采取测量冷藏室送风口的风量，作为冷藏回风道入口处风量的参考数据，经过测试后，得出入口处的风量为40 m3/h。

2.3 仿真结果

从图3和表1可以得出，靠近右侧的出口4、出口5、出口6的风量总和近似为左侧出口1、出口2、出口3三个出口风量总和的两倍，风量的分布也与前文的结霜试验验证的结果一致，可以证明回风道的回风不均是造成蒸发器结霜不均的重要原因。而取消导流片可以将风道内压降从20.83 Pa降至13.07 Pa，说明导流片的设置会增加风道内的风阻，故在后面的优化策略中可以考虑在满足风量分配均匀的前提下减少导流片的数量。

表1 取消导风板与原方案冷藏回风道仿真风量分布

图3 取消导流片与原方案冷藏回风道仿真结果

3 冷藏回风道结构优化

通过对冷藏回风道的仿真分析，可以从以下两个方面入手对冷藏回风道进行优化：

1）风道内部导流片数量的优化。针对原方案的仿真分析结果，先通过简单优化导流片的布局和数量，重点来降低冷藏回风道出入口的压降，从而提高回风有效性。

2）风道内部导流片结构的优化。在上一步的基础上，通过仿真优化软件对冷藏回风道内部导流片结构设计进行优化，达到降低压降并提高各出口风量均匀性的目标。

3.1 仿真优化工具选用

目前ANSYS提供了两种优化方案：

第一种是基于目标变量的参数化优化方案，典型操作就是在DM/SCDM中建立参数化结构然后在Fluent/CFD中进行分析，接下来联合优化工具Design exploration/Mesh morpher optimizer进行响应分析，得到最佳优化点。

第二种就是应用Fluent中所带的伴随矩阵模块—Adjoint Solver，其优化方案为非参数化优化，直接优化的求解可以得到目标变量的敏感度情况，并依据目标变量的设计进行相关优化，优化后得到的网格文件可通过工程逆向得到相关几何模型。

其中，第一种所涉及的参数化优化方案，需要使用CAD、网格划分工具在求解器已经建立好仿真流程的前提下才能进行，优化后的变量仅限于所定义的参数，而Adjoint Solver是一种高效智能流体优化模块，可以根据设定的优化目标值对风道形状进行智能优化，作为Fluent中的一个专用工具，能够分析风道中的敏感性数据，从而有针对性的进行优化。

为了更好的完成优化设计，本文重点选用Adjoint Solver作为本课题的优化工具。

3.2 冷藏回风道优化结果

根据原方案的仿真分析结果，为了改善左右两侧风量分布，第一步先借助仿真分析结果，对三维模型进行局部调整来完成初步优化。

首先将左侧三个出口—出口1、出口2、出口3的尺寸与右侧三个出口的出口大小尺寸进行调整，增大左侧的三个出口，减小右侧的三个出口，经过不同尺寸的调整后，得到一个优化方案，其冷藏回风道各出口的风量分布如图4所示。

图4 方案1与原方案仿真结果对比

风量分布如表2所示。

表2 风量分布优化对比

可以看出，经过对风道内部导流板布置位置的优化，原方案中出口1的风量由0.002 074 kg/s提升到了0.003 487 kg/s，风量增加了0.001 413 kg/s，优化了68.144 %，出口2的风量由0.001 430 kg/s提升到了0.002 315 kg/s，而通过改变导流片的布局，可以使压降降低4.801 %，这说明导流片的位置和数量同样影响着压降，进而影响风量大小的分布情况。

根据上述结论，为使每个出风口达到更加合理的风量分配，并在原方案的基础上使压降得到优化，提出在方案1的基础上，减少导流片的数量，以及调整导流片的长度尺寸和风口大小的思路来进行进一步的仿真分析优化。

优化结果如图5所示，在方案1的基础上，取消原有的导流片3和导流片5，并将导流片4的长度减短，以达到降低压降的目的。