冷藏箱温度场的数值模拟及其优化
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冷藏箱数值模拟的研究-化工
冷藏箱数值模拟的研究-化工冷藏箱数值模拟的研究李成祥（青岛大学，山东青岛266071）【摘要】冷藏箱箱体内温度场与流场的分布均匀性与箱体的结构有着密切的关系，数值计算方法能够为冷藏箱结构优化提供一种省时省力的重要工具。
近年来，随着计算机技术的快速发展，计算流体软件CFD越来越多的应用于冷藏箱的结构优化中。
本文介绍了指出了冷藏箱研发以及使用当中遇到的一些问题，并介绍了国内外研究人员使用CFD优化箱体结构的经验。
关键词冷藏箱；结构优化；数值计算方法；温度场；CFD0 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]。
多温区冷藏车厢温度场影响因素的数值模拟
官彬彬 ， 等： 多温区冷藏车厢温度场影响因素的数值模拟
ｄ ｏ ｉ ： ｌ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — １ ５ ２ Ｘ ． ２ ０ １ ６ ． １ ０ ． ０ ２ ２
技 术 与方 法
多温 区冷藏 车厢 温度 场影 响因素 的数值模 拟
官彬 彬 ， 李
【 摘
强， 张 强华
３ １ ０ ０ ２ ３ ）
（ 浙江科技学 院 机械与汽车工程学 院 ， 浙江 杭 州
要】 针对多温 区冷藏车车厢设 计参数 的优 化问题 ， 建立 了冷量在 多温区流动 的物理模 型 ， 推 导出冷藏车
多温 区温度 变化的热平衡动态方程 。分 析风扇出风 口温度 ， 总体 匀流板孔隙率 ， 匀流板高度等因素对车厢总体温 度不均匀程 度以及储藏可靠性 的影 响。以杨 梅为例数值模拟 出评价指标 与因素问的相互影响规律 。仿真结果表 明： 风扇 出风 口温度 为一 ２ ． ５ ￣ Ｃ， 总体 匀流板孔 隙率为 ０ ． ２ １ ５ ， 高度 为 ４ ０ ｍｍ为本实验 多温 区冷 藏车厢 的较优设 计参
ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｈ ｉ ｐ ｌ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｚ ｏ ｎ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｉｖ ｒ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｒ ｌ ｂ ｌａ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｈｅ ｔ
Ｇ ｕ ａ ｎ Ｂ ｉ ｎ ｂ ｉ ｎ ， Ｌ ｉ Ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ＆Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ２ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｄ ｏ ｉ ： ｌ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — １ ５ ２ Ｘ ． ２ ０ １ ６ ． １ ０ ． ０ ２ ２
技 术 与方 法
多温 区冷藏 车厢 温度 场影 响因素 的数值模 拟
官彬 彬 ， 李
【 摘
强， 张 强华
３ １ ０ ０ ２ ３ ）
（ 浙江科技学 院 机械与汽车工程学 院 ， 浙江 杭 州
要】 针对多温 区冷藏车车厢设 计参数 的优 化问题 ， 建立 了冷量在 多温区流动 的物理模 型 ， 推 导出冷藏车
多温 区温度 变化的热平衡动态方程 。分 析风扇出风 口温度 ， 总体 匀流板孔隙率 ， 匀流板高度等因素对车厢总体温 度不均匀程 度以及储藏可靠性 的影 响。以杨 梅为例数值模拟 出评价指标 与因素问的相互影响规律 。仿真结果表 明： 风扇 出风 口温度 为一 ２ ． ５ ￣ Ｃ， 总体 匀流板孔 隙率为 ０ ． ２ １ ５ ， 高度 为 ４ ０ ｍｍ为本实验 多温 区冷 藏车厢 的较优设 计参
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多温区冷藏车厢温度场影响因素的数值模拟
多温区冷藏车厢温度场影响因素的数值模拟官彬彬;李强;张强华【摘要】In this paper, in view of the optimization of the design parameters of the multi-zone refrigeration lorry, we built the physical model of the thermal dynamics across the multiple temperature zones and derived the dynamic equation of the thermal balance of the refrigeration lorry. Thenwe analyzed the factors influencing the even thermal distribution and storage reliability in the lorry carriage. At the end, in the case of the red bayberry, we simulated the evaluation index and the mutual influence between the factors and determined the optimal design parameters forthe lorry carriage.%针对多温区冷藏车车厢设计参数的优化问题，建立了冷量在多温区流动的物理模型，推导出冷藏车多温区温度变化的热平衡动态方程。
分析风扇出风口温度，总体匀流板孔隙率，匀流板高度等因素对车厢总体温度不均匀程度以及储藏可靠性的影响。
以杨梅为例数值模拟出评价指标与因素间的相互影响规律。
仿真结果表明：风扇出风口温度为-2.5℃，总体匀流板孔隙率为0.215，高度为40mm为本实验多温区冷藏车厢的较优设计参数。
冷藏集装箱内部温度场的理论与实验研究_张哲
（ a） 断面 X = 0m
（ b） 断面 Z = 0． 9m 图 2 1m / s 送风速度 X = 0m、Z = 0． 9m 截面温度云图 Fig． 2 Temperature field of 1m / s air velocity at X = 0m，Z =
Zhang Zhe1 ，Hao Junjie1 ，Li Man1 ，Tian Jinjin1 ，Zhang Ping2 ，Su Jiurong3 （ 1． Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China； 2． Tianjin Key Laboratory of Postharvest Physiology and Storage of Agricultural Products，National Engineering and Technology
尺寸长 × 宽 × 高分别为 6． 8m × 2． 1m × 2． 2m； 箱 体冷藏的货物为立方体结构。冷藏集装箱的送风 方式为： 车厢的正前上方设置尺寸为 1． 0m × 0． 4 m 的进风口，侧面设置两个回风口，布置在车厢前 壁面的左右两侧，尺寸为 1． 25m × 0． 15m。 2． 2 数学模型
Research Center for Preservation of Agricultural Products，Tianjin 300384，China； 3． Zhongrui （ Tianjin） Mechanical ＆ Electronic Engineering CO． ，Ltd，Tianjin 300310，China） Abstract： The distribution of temperature field inside the refrigerated container is the key point of refrigerated container design． Simulation and experimental researches of temperature field with physical mold and mathematical mold in the refrigerated container were investigated． The steady － state N － S equations and k － ε model were used to analyze it． The numerical result shows that the temperature maldistribution is very serious for the conventional refrigerated container used in transportation． The temperatures of the front and the rear portions are obviously different and that is not conducive to storage of goods． And the deviation of experimental data and simulated result was less than 16． 4% ，which showed that the model was appropriate to the simulation of the internal temperature field in refrigerated container． The conclusions established a foundation for the further research of the temperature field in the refrigerated container，and would be a guide to the disposal of the cargo in the refrigerated container． Keywords： Refrigerated Container，Temperature Field，Uniformity
冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化
冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化
吴小华;张璟;宋春节
【期刊名称】《北京石油化工学院学报》
【年(卷),期】2006(014)003
【摘要】冰箱冷藏室内搁物架的结构形式及其放置位置对冷藏室内温度场和流场的分布有较大的影响.以FLUENT前处理软件GAMBIT为建模工具,对冰箱冷藏室建立了三维计算模型,划分网格后,用计算流体力学软件FLUENT对网状和平板状搁物架的冰箱冷藏室内的温度场和流场分别进行了仿真,对比仿真结果发现:采用平板式搁物架,并使其与蒸发器所在后壁面之间保持2～3 cm间距的结构形式,既能减小各层内部的温度差又能增强换热,是一种比较合理的结构.
【总页数】5页(P8-12)
【作者】吴小华;张璟;宋春节
【作者单位】北京石油化工学院,北京,102617;西安交通大学,西安,710049;北京石油化工学院,北京,102617;北京石油化工学院,北京,102617
【正文语种】中文
【中图分类】TM92
【相关文献】
1.冰箱冷藏室温度场和流场的数值模拟与结构优化 [J], 吕传超;崔振科;王乐
2.冰箱室内温度场和流场的仿真及结构优化 [J], 吴小华;吴业正;曹小林
3.冰箱箱内空气温度场与流场的优化研究 [J], 丁国良
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5.风电机舱温度场-流场仿真及优化研究 [J], 李强;索连帅;刘征远;朱文会;杨帅;张银龙
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冷藏库预冷降温过程中温度场的数值模拟与试验研究
（ｂ）
图３温度场的模拟结果
（ａ）．１ ｍｉｎ时刻的等温图，（ｂ）．１２ ｍｉｎ时刻的等温图
Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ
（ａ）．Ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｆｔｅｒ １ ｍｉｎ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｔ（ｂ）．Ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｆｔｅｒ １２ ｍｉｎ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
２２１
条件，壁面速度赋零值，壁面温度为常壁温，模拟时 库内初始温度为２０．２℃。 １．４பைடு நூலகம்格划分
建模过程在Ｇａｍｂｉｔ软件中完成，在几何模型 上铺设结构化网格，设定网格尺寸为５ ｃｍ，设定流 动人口边界（送风口）、流动出口边界（回风口）、壁面 及流体区域的网格结构如图２所示。
Ｆｉｇ．２
图２计算区域的网格划分
掣＋ｄｉｖ（１Ｄ“拳）＝ｄｉｖ（Ｐｇｒａｄ≯）＋Ｓ。（１）
式中：ｌＤ为密度；ｔ为时间；Ｕ为速度矢量；拳为通用 变量，代表Ｕ、ｕ、Ｗ、Ｔ等求解变量，其中“、口和Ｗ是 速度矢量Ｕ在ｚ、ｙ和２方向的分量，Ｔ为温度；Ｐ为 广义扩散系数；Ｓ为广义源项。式（１）中从左到右４ 项依次为瞬态项（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｒｍ）、对流项（ｃｏｎｖｅｃ－ ｔｉｖｅ ｔｅｒｍ）、扩散项（ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ ｔｅｒｍ）和源项（ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｒｍ）。其展开形式为：
Ｉ
２
３
４
５
６
７
３
９
ｔｅｒｎｐｃｒａｔｕｒｅ：２８７ ７ ２８７ ８ ２８７ ９ ２８８ ２８８．１ ２８９ ２ ２８８ ３ ２８８ ４ ２８８ ５
Ｌｅｖｅｌ
Ｉ
２
３
４
５
６
冰箱冷藏室温度场和流场的数值模拟与结构优化
(1-Behr Thermal Systems Co., Ltd., Shanghai 201206, China; 2-Sanden (Shanghai) Automotive Air-Conditioning Co., Ltd., Shanghai 201206, China)
[Abstract] The temperature and velocity fields in the fresh food storage compartment of a refrigerator were conducted with numerical method of computational fluid dynamics (CFD), and the correctness of the numerical calculation model used in this paper was verified by experiment. Based on the numerical model, the other three schemes with different wall temperature distributions were proposed. The equality of the temperature field was greatly improved compared to the existing commercial solutions when the scheme that wall temperature increasing from the top to the bottom was adopted, which provides reference for the evaporator design of the fresh food storage compartment of the refrigerator. [Keywords] Refrigerator; Fresh food storage compartment; Numerical simulation; Structure optimization
[Abstract] The temperature and velocity fields in the fresh food storage compartment of a refrigerator were conducted with numerical method of computational fluid dynamics (CFD), and the correctness of the numerical calculation model used in this paper was verified by experiment. Based on the numerical model, the other three schemes with different wall temperature distributions were proposed. The equality of the temperature field was greatly improved compared to the existing commercial solutions when the scheme that wall temperature increasing from the top to the bottom was adopted, which provides reference for the evaporator design of the fresh food storage compartment of the refrigerator. [Keywords] Refrigerator; Fresh food storage compartment; Numerical simulation; Structure optimization
冷藏展示柜柜内温度场的数值模拟及实验
[ 1~ 2]
。
所取的冷藏柜的截面如 图 1 所示 , 外形尺寸 : 510 815 mm; 容积 : 110 L; 冷却方式 : 直冷 ; 性能: 0~
。这些问题
收稿日期 : 2006 12 06; 修订日期 : 2007 01 16 作者简介 : 苏庆勇 , 男 , 42 岁 , 副教授、 高级工程师。
Y
= 0
= 0 = 0
Z
基于原始变量的有限差分法 , 偏微分方程采用有 限容积法 离散 , 对流 - 扩 散项 采用 乘方 格式 , 并用 [ 2] SI M PLE 算法处理压力和 速度的耦合 。节点数目 为 200( Y 方向 ) 100( X 方向 ) 80( Z 方向 )。 对柜内中截面上的温度场进行分析。为了验证 模型的可靠性 , 选取柜内的具有代表性的点 (见图 1 , 分别是: 1 . 蒸发器侧; 2 、 4 . 柜壁侧; 3 . 柜门侧 ; 5 、 6 .柜 中心 )进行研究。在柜内温度基本稳定时, 实验测量 冷藏柜内所取各点的温度并与理论计算温度进行对 比 , 结果见表 1 所示。
2 2 2 Pr P U U U + ( + + 1 /2 2 2 2 ) X (R aP r ) X Y Z
V+ R
(UV ) + X
( VV ) + Y
2
(W V ) = Z
2
2 Pr V+ - P+ 1 /2 ( 2 Y (R aP r ) X
V + V) + G r 2 2 Y Z (WW ) = Z
F ig. 2 Change of theory te mp erature and m easu red
。
所取的冷藏柜的截面如 图 1 所示 , 外形尺寸 : 510 815 mm; 容积 : 110 L; 冷却方式 : 直冷 ; 性能: 0~
。这些问题
收稿日期 : 2006 12 06; 修订日期 : 2007 01 16 作者简介 : 苏庆勇 , 男 , 42 岁 , 副教授、 高级工程师。
Y
= 0
= 0 = 0
Z
基于原始变量的有限差分法 , 偏微分方程采用有 限容积法 离散 , 对流 - 扩 散项 采用 乘方 格式 , 并用 [ 2] SI M PLE 算法处理压力和 速度的耦合 。节点数目 为 200( Y 方向 ) 100( X 方向 ) 80( Z 方向 )。 对柜内中截面上的温度场进行分析。为了验证 模型的可靠性 , 选取柜内的具有代表性的点 (见图 1 , 分别是: 1 . 蒸发器侧; 2 、 4 . 柜壁侧; 3 . 柜门侧 ; 5 、 6 .柜 中心 )进行研究。在柜内温度基本稳定时, 实验测量 冷藏柜内所取各点的温度并与理论计算温度进行对 比 , 结果见表 1 所示。
2 2 2 Pr P U U U + ( + + 1 /2 2 2 2 ) X (R aP r ) X Y Z
V+ R
(UV ) + X
( VV ) + Y
2
(W V ) = Z
2
2 Pr V+ - P+ 1 /2 ( 2 Y (R aP r ) X
V + V) + G r 2 2 Y Z (WW ) = Z
F ig. 2 Change of theory te mp erature and m easu red
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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
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。
[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
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
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)
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。
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
(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
Βιβλιοθήκη z2 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。
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 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@。
[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
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
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
（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
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
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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。
[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
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
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)
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。
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
(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
Βιβλιοθήκη z2 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。
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 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@。
[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
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· U 0
(1) (2)
(a) 模型剖面图
(b) 模型三维图
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制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
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
（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
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