冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化.pdf

北京石油化工学院学报
第14卷第3期Vol.14No.3
JournalofBeijingInstituteof
2006年9月Sep12006
Petro2chemicalTechnology

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
(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2～3cm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TM925121

食品从生产、运输、销售直到消费者购买后FLUENT前处理软件GAMBIT建立冰箱冷
在自己家中储存,都必须采用各种各样的冷冻藏室三维计算模型并划分网格,用FLUENT
冷藏设备来形成完整的冷链。具有冷冻冷藏双软件对不同结构情况下冰箱冷藏室内的温度场
重功能的家用冰箱是其中十分重要的环节之和流场进行仿真,以期找出合理的结构形式。
一,成为现代家庭必备的家用电器之一。计算过程中,冷藏室壁面厚度取415cm,冷藏
当冰箱内部为空腔时,可以抽象为侧面加室壁面导热系数为0103W/(m·K),箱内空气
热的矩形腔内的自然对流换热。当Re(雷诺的表面传热系数为1116W/(m2·K),箱外空
数)较小时,流动为稳定的,当Re增大时,便会气的表面传热系数为1113W/(m2·K)。
产生Hopf分歧。对家用电冰箱而言,Re很
[1]1计算模型
小,流动的解是唯一且稳定的。
流动问题的数值解法有原始变量法和涡量111物理模型
流函数法。原始变量法以速度、压力作为流场笔者研究对象为一台双门家用电冰箱的冷
求解的基本变量,被求解的变量具有明确的物藏室,图1为该冷藏室示意图。
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]。
冰箱冷藏室的结构形式对其内部温度场和
图1冷藏室结构
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,以往仿真冰箱冷藏室内温度场和流场是以
这两种结构形式各有优缺点。笔者将采用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
收稿日期:2006202224获得,这不仅需要消耗大量的人力物力,而且计
第3期吴小华等.冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化9

算结果只能适用于分析该种结构的冷藏室。
计算过程
笔者以整个冰箱冷藏室(包括室内空气和2
箱体及其它附件)为研究对象,以箱体的外壁面算法的计算过程如下:

为边界条件,将冷藏室内空气的自然对流换热(1)给定环境温度Tenv、冰箱保温层的厚
和保温层内部的导热统一起来,同时求解。因度、保温层导热系数、自然对流表面传热系数,
为环境温度已知,环境空气与冷藏室外壁面之根据实验数据给出冷藏室蒸发器所在后壁面内

间的第三类边界条件较易获得。表面平均温度Tel;
112数学模型(2)选择计算模型;
坐标系如图1所示,图中仅画出了x方向(3)初始化流场;
和y方向坐标,z方向为xy平面的法线方向。(4)设定迭代收敛条件,开始迭代直至
在建立数学模型时,作以下假设:(1)蒸发器所收敛;
在后壁面温度恒定;(2)门封的影响在壁面导热(5)查计算结果与计算后期处理,保存
系数中加以考虑;(3)箱内空气是牛顿流体;(4)结果。
箱内空气流动形式为稳定层流和非边界层型流采用SIMPLE方式离散压力-速度,压力
动;(5)箱内空气在固体内壁面上满足无滑移条修正松弛因子设定为110,以达到加快收敛
件;(6)满足Boussinesq假设,即忽略流体中的速度。
粘性耗散;(7)忽略冷藏室内空气的相变过程,
3计算结果分析
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为了验证所建数学模型的可靠性,对冷藏
化,其余各项中的密度作为常数,其它物性为室内部分点(见图1)进行了实验测试,实验结
常数。果和计算结果的对比见表1。
根据质量守恒、动量守恒和能量守恒方程
,表1冷藏室一些点的温度计算值与实验值对比
控制