冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化

冰箱冷藏室的结构形式对其内部温度场和 流场的分布有重要的影响 ,冰箱冷藏室内搁物 架主要有 2 种形式 :丝网状结构和平板式结构 , 这两 种 结 构 形 式 各 有 优 缺 点 。笔 者 将 采 用
收稿日期 :2006202224
FL U EN T 前处理软件 GAMB I T 建立冰箱冷 藏室三维计算模型并划分网格 ,用 FL U EN T 软件对不同结构情况下冰箱冷藏室内的温度场 和流场进行仿真 ,以期找出合理的结构形式 。 计算过程中 ,冷藏室壁面厚度取 41 5 cm ,冷藏 室壁面导热系数为 01 03 W/ ( m ·K) ,箱内空气 的表面传热系数为 11 16 W/ ( m2 ·K) ,箱外空 气的表面传热系数为 111 3 W/ ( m2 ·K) 。
3 计算结果分析
为了验证所建数学模型的可靠性 ,对冷藏 室内部分点 (见图 1) 进行了实验测试 ,实验结 果和计算结果的对比见表 1 。
表 1 冷藏室一些点的温度计算值与实验值对比
比较点
1
t (计算值) / ℃ 21 79
t (实验值) / ℃ 21 91
2 21 92 31 13
3 71 29 71 34
间的第三类边界条件较易获得 。
11 2 数学模型
坐标系如图 1 所示 ,图中仅画出了 x 方向
和 y 方向坐标 , z 方向为 x y 平面的法线方向 。
在建立数学模型时 ,作以下假设 : (1) 蒸发器所
在后壁面温度恒定 ; (2) 门封的影响在壁面导热
系数中加以考虑 ; (3) 箱内空气是牛顿流体 ; (4)
本次 FL U EN T 计算中所用网格全部都经 过了检验 ,在所取网格尺寸附近 ,网格尺寸大小
不影响计算结果 ,即在该尺寸下计算结果与所 取的网格无关 。
当冰箱内部为空腔时 ,可以抽象为侧面加 热的矩形腔内的自然对流换热 。当 Re ( 雷诺 数) 较小时 ,流动为稳定的 , 当 Re 增大时 ,便会 产生 Hopf 分 歧 。对 家 用 电 冰 箱 而 言 , Re 很 小 ,流动的解是唯一且稳定的[1] 。
流动问题的数值解法有原始变量法和涡量 流函数法 。原始变量法以速度 、压力作为流场 求解的基本变量 ,被求解的变量具有明确的物 理意义 ,容易确定边界条件 。涡量 流函数法以 流函数和涡量作为流场求解的基本变量 ,避免 了原始变量法中由于压力项引起的一系列问 题 ,但它只适合于求解二维流动问题[2] 。以往 的直冷式冰箱内温度场 、流场的计算主要集中 在二维模型基础上[326 ] ,而笔者所建立的模型是 三维的 ,故应用原始变量法求解[7] 。
(1 北京石油化工学院 ,北京 102617 ; 2 西安交通大学 ,西安 710049)
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 FL U EN T 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 FL U EN T 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
图 5 平板状搁物架冷藏室速度矢量图
条件 ,仅仅由于搁物架形式不同 ,各层之间的温 度差也不相同 。搁物架为网状结构时冷藏室最 高温度能达到 9 ℃,最低能达到 - 2 ℃,两者相 差 11 ℃。这对于使用者来说不合理 ,靠近温度 高的地方 ,蔬菜呼吸作用强 ,容易变蔫 ,而靠近 温度低的地方 ,容易使蔬菜冻伤 。搁物架为平 板状时各层内部温度差在 31 6 ℃以内 ,温度分 布比较均匀 。
第 14 卷 第 3 期 2006 年 9 月
北京石油化工学院学报 Jo urnal of Beijing Instit ute of
Pet ro2chemical Technology
Vol . 14 No . 3 Sep1 2006
冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化
吴小华1 ,2 张 1 宋春节1
4 41 12 41 19
5
67
61 62 91 09 61 15
61 78 101 11 61 20
从表 1 可以看出 ,计算结果和实验结果吻 合的很好 ,验证了所建立计算模型的正确性 。 在此基础上 ,对网状搁物架情况下冷藏室计算 模型和平板状搁物架与蒸发器之间无间隔情况 下冷藏室计算模型进行了仿真 ,两种情况下冰 箱冷藏室内温度场分布见图 2 和图 3 ,流场分 布见图 4 和图 5 。
+
92 w 9 y2
+
92 w 9 z2
9 (ρC p T ) 9t
+
u
9 (ρC p T ) 9x
+
v
9 (ρC p 9y
T)
+
w
9 (ρC p T ) 9z
=k
92 T 9 x2
+
92 T 9 y2
+
92 T 9 z2
式中 u , v , w 分别为 x , y , z 方向的流速 ,ρ,
μ, Cp , T , k 分别为密度 、动 力粘 度 、比定 压热
网格尺寸对计算的影响见表 3 。
表 3 四面体网格的网格尺寸对计算的影响
网格尺寸/ cm 网格数目 某点计算结果 开始收敛时迭代次数
31 0
24 739
71 14
约 460
31 5
16 080
71 14
约 350
41 0
10 549
71 56
约 200
41 5
7 957
71 82
约 130
从表 3 可以看出 ,当网格尺寸大于 31 5 cm 时 ,虽然结果也收敛于一点 ,但该值不可信 ,不 能真正反应该点的温度 。当网格尺寸小于 31 5 cm 时 ,过度的减小网格尺寸对数值计算并没有 好处 ,所得的结果收敛于一点 ,但所花的时间截 然不同 ,本次计算中 ,网格尺寸为 31 0 cm 时开 始收敛所花的时间与网格尺寸为 31 5 cm 时开 始收敛所花的时间之比约为 2 ∶1 。
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 。
关 键 词 热工学 ; 仿真 ; 优化 ; 冷藏室 ; 温度场 ; 流场
中图法分类号 TM9251 21
食品从生产 、运输 、销售直到消费者购买后 在自己家中储存 ,都必须采用各种各样的冷冻 冷藏设备来形成完整的冷链 。具有冷冻冷藏双 重功能的家用冰箱是其中十分重要的环节之 一 ,成为现代家庭必备的家用电器之一 。
容 、温 度 和 导 热 系 数 , g 为 重 力 加 速 度 , t 为
时间 。
2 计算过程
算法的计算过程如下 : (1) 给定环境温度 Tenv 、冰箱保温层的厚 度 、保温层导热系数 、自然对流表面传热系数 , 根据实验数据给出冷藏室蒸发器所在后壁面内 表面平均温度 Tel ; (2) 选择计算模型 ; (3) 初始化流场 ; (4) 设定迭代收敛条件 , 开始迭代直至 收敛 ; (5) 查计算结果与计算后期处理 , 保存 结果 。 采用 SIM PL E 方式离散压力 - 速度 ,压力 修正松 弛 因 子 设 定 为 11 0 , 以 达 到 加 快 收 敛 速度 。
箱内空气流动形式为稳定层流和非边界层型流
动 ; (5) 箱内空气在固体内壁面上满足无滑移条
件 ; (6) 满足 Bo ussinesq 假设 ,即忽略流体中的
粘性耗散 ; (7) 忽略冷藏室内空气的相变过程 ,
当作理想气体处理 ; (8) 忽略辐射换热 ; (9) 仅在
动量方程中与体积力有关的项中考虑密度的变
化 ,其余各项中的密度作为常数 ,其它物性为
常数 。
根据质量守恒 、动量守恒和能量守恒方程 ,
控制方程为 :
9 (ρu) 9x
+
9 (ρv) 9y
+
9 (ρw 9z
)
=0
9 (ρu) 9t
+
u
9 (ρu) 9x
+
v
9 (ρu) 9y
+
w
9 (ρu) 9z
=
-
9p 9x
+μ
92 u 9 x2
+
92 u 9 y2
1 计算模型
11 1 物理模型 笔者研究对象为一台双门家用电冰箱的冷
藏室 ,图 1 为该冷藏室示意图 。
图 1 冷藏室结构
以往仿真冰箱冷藏室内温度场和流场是以 室内的空气为研究对象 ,以冷藏室的内壁面为 边界 。这样初值和边界条件通常借助于实验来 获得 ,这不仅需要消耗大量的人力物力 ,而且计
+
92 u 9 z2
9 (ρv) 9t
+
u
9 (ρv) 9x
+
v
9 (ρv) 9y
+
w
9 (ρv) 9z
=
-
9p 9y
+μ
92 v 9 x2
+
92 v 9 y2
+
92 v 9z
- ρg
9 (ρw ) 9t
+
u
9 (ρw ) 9x
+
v
9 (ρw ) 9y
+
w
9 (ρw ) 9z
=
-
9p 9z
+μ
92 w 9 x2
架结构而言 ,由于它对冷藏室内的流场和温度 场分布影响很小 ,所以冷藏室内空气流动速度 快 ,蒸发器表面传热系数高 ,换热速度快 ,效率 高 ,所需蒸发器的面积小 。但同时也可以看出 , 这种结构也存在冰箱冷藏室内上下温度差太 大 ,不利于冰箱使用者储存食物的问题 。此外 , 当丝网上放上食物后 ,其自然对流将受到约束 , 导致换热速度的降低 ;对于板式搁物架结构而 言 ,由于整个冷藏室内的空气流动属于受限小 空间内的自然对流 ,空气只能在各层小空间范 围内流动 ,换热效果差 、效率低 ,所需蒸发器面 积大 ,但这种结构能有效的减少各层上下部之 间的温度差 。