【doc】 间冷抽屉式冰箱箱内流场与温度场的数值模拟

【doc】 间冷抽屉式冰箱箱内流场与温度场的数值模拟 间冷抽屉式冰箱箱内流场与温度场的数值 模拟 第33卷第12期华中科技大学(自然科学版) 2005年12月J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.(NatureScienceEdition) Vo1.33 Dec. No.12 2005 间冷抽屉式冰箱箱内流场日司,皿 何国庚唐琼辉 度场的数值模拟 (华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074) 摘要:建立了一间冷抽屉式冰箱内部的稳态空气流场和温度场的数学模型并借助于计算流体动力学软件 FLUENT分别对原型抽屉式间冷冰箱和改进后的抽屉式间冷冰箱内部进行了数值模拟,研究了冰箱横杠的 绝热材料及其布置,防露管的设置以及进风口的大小和方向等对冰箱内补空气流场与温度分布的影响.模拟 结果表明,改进后的抽屉式间冷冰箱内空气具有更加均匀的温度场与流场,对于减少冰箱的能耗有重要作用. 关键词:间冷抽屉式冰箱;流场;温度场;数值模拟 中图分类号:TB657.4文献标识码iA文章编 号:1671—4512(2005)12—0034—03 NumericsimulationofairfiOWandtemperaturefieldinside aindirect.cooldrawerrefrigerator HeG~togengTangQionghui Abstract:Theinnerairflowfieldandtemperaturefieldhavedirecteffectontheenergyconsumptionofre? frigerator.Thenumericmodelfortheairflowfieldandtemperaturefieldinsideaindirect—COOldrawerre— frigeratorWaSestablishedandthesimulationsontheindirect—COOldrawer refrigeratoranditsimprovedmod— elweremadebymeansofthecomputationalfluiddynamicssoftware—FLUE NT.Theinfluencesofthein— sulationmaterialanditsallocationinthecrossbeams,theset—upofanti—de wpipes,thedimensionsofairin— letanddirectionofairflowontheflowfieldandtemperatureallocationwerestudied.Thenumericalresult showedthattheairinsidetheimprovedindirect—COOldrawerrefrigerator WaSD0ssessedofwell—distributed temperaturefield,meanwhiletheairflowfieldhadsignificanteffectonthereductionoftheenergycon— sumptionoftherefrigerator. Keywords:indirect—COOldrawerrefrigerator;flowfield;temperaturefiel d;numericsimulation HeGuogengAssoc.Prof.;CollegeofEnergy&PowerEng.,HuazhongU niv.ofSci.&Tech., Wuhan430074,China. 对于冷柜,冰箱内空气的流动与温度分布, GiovanniCOrtella1J等针对陈列柜的不同设计参 数,采用了LES湍流模型和有限元法,对柜内的 温度场进行了模拟,模拟结果与实际情况吻合得 很好.M.L.Hoang[2J等试用了各种不同的湍流 模型,如Standard志一,模型,Realizable志一,模型, RNG志一,模型等,取得了对于计算此类温度场所 应该采用的模型的一些很有价值的经验.国内也 对直冷式冰箱的箱内空气的自然对流进行了研 究_3_3,建立了符合各自情况的物理模型,并进行 模拟计算,揭示了箱内空气的温度场和流场的分 布规律.而对于问冷式冰箱的研究,则主要集中在 间冷式冰箱的箱体模型,风道阻力与流量分配及 系统的动态仿真等方面_4J.由于问冷式冰箱采用 强制对流,通过送风口送人的空气为非等温射流, 根据经典流体力学射流理论,在非等温射流的空 问内,空气分布与送风口位置,送风射流参数有 关,其中送风口的形状,位置和送风射流参数又是 影响气流组织和温度分布的主要因素,对于不同 结构的间冷式冰箱,这些因素的影响程度又各不 相同.本文将对一间冷抽屉式冰箱箱内空气流场 与温度场进行数值模拟,对其进行优化. 收稿日期:2005—02—24. 作者简介:何国庚(1965一),男,副教授;武汉,华中科技大学能源与动 力工程学院(430074) E?mail:gghe@public.wh.hb.cn. 第12期何国庚等:间冷抽屉式冰箱箱内流场与温度场的数值模拟35 1间冷抽屉式冰箱结构 具有变温功能的抽屉式间冷冰箱的外形如图 1所示,它能够做冷藏箱,一6?冷冻箱,一12? 冷冻箱以及一18?冷冻箱等.该冰箱内部剖面图 如图2所示. 图1冰箱外形图图2冰箱剖面图 从该冰箱的结构可以看出,由于间冷冰箱箱 内空气采用强制对流方式,上,中,下三个抽屉由 各自的进风口送人经过蒸发器冷却的冷空气,回 风口设置在下抽屉的后部.抽屉间的横杠作为抽 屉的支撑.考虑制造的方便,横杠的绝热材料通常 采用的是成型的聚苯乙烯泡沫塑料,而冰箱箱体 及抽屉门均采用现场发泡的硬质聚氨酯泡沫塑 料,因此横杠绝热材料的导热系数比箱体其他部 分大,加上横杠的外表面三面为冷空气的强制对 流换热,一面为环境热空气的自然对流换热,研究 表明这使得横杠处的漏热相对于整个箱体来说是 比较大的J. 2数值模型 2.1冰箱内空气流动模型 从图2可以看出,经过蒸发器冷却的冷空气 通过设置在箱体内后壁面上的出风口以射流的形 式进入箱体内,箱体内的空气流动通常都处于湍 流状态.因此,采用经过时均化处理的雷诺平均的 NS方程来描述箱体内的空气流动,其连续性方 程,动量方程和能量方程如下: O(pu)/Ox=0;(1) 8(j)=一+8? Ou,8u ,i一 2 … 8uk 8巧)一P卜 2peo以Uk—lD(力,力一力力);(2) ()=一[一gJ—lD]+8h,? Ou, +3 xi 一 2 … 8uk 8)一P]}.(3) 而对于空气等气体,常采用理想气体假设,满 足如下状态方程和热焓关系: P=丁;(4) FIR=CpT+W/2,力t-2/2. (5) 对于方程(1)中的雷诺应力项,则采用标准 k-e模型,其湍动能k,耗散率e的输运方程为: p(dk/dt)=(8/8x)[(+/)? (Ok/8x)]++Gb一一YrM;(6) lD(de/dt)=(8/8x)[(+,/)(8e/8x)]+ C1(,/k)(+C3)一C2lD(e/k);(7) Gk=一lDuiuj(auj/8x),(8) 式中:e=(OUl/OXk)=cDk/l;=(/ P)(8T/Ox),为由浮力产生的湍流动能项; C1=1.44;C2=1.92;C3=1.44;O”k=1.0,O”e= 1.3. 2.2网格的划分 对箱体内空间,采用固定的,交错的,非结构 化四面体网格,这种网格比较灵活,容易生成而且 也比较便于计算(如图3所示).而对于箱体壁面 附近的区域,采用工程紊流计算中应用较广的壁 面函数法进行处理,所形成的网格如图4所示. 图3冰箱内腔截面网格图4冰箱壁面网格 3模拟结果与分析 根据所建的数学模型,用FLUENT软件进 行计算,并将所得的三维图像沿平行于yz平面 的方向进行切片. 3.1原型冰箱的模拟结果 原型冰箱模拟计算所得到的温度云图如图5 所示.由于三个抽屉之间相对独立,从图5中可以 看出(进口温度设为255K),三个抽屉间的温度 差别较大,中抽屉和下抽屉的温度明显比上抽屉 高2,3?,而且中抽屉和下抽屉的温度场的均匀 性也不尽人意.抽屉之间的部分即横杠周围和进 风口周边的温度比较高,究其原因,认为是由于中 抽屉,下抽屉内的冷空气直接与横杠接触,冲刷横 杠的表面,而横杠的保温材料的隔热性比较差,致 使冷空气大量从横杠处泄漏至外界;而上抽屉内 的冷空气不直接与横杠的表面接触,因此上抽屉 36华中科技大学(自然科学版)第33卷 的温度明显要低一些. 3.2改进冰箱模拟结果 针对该冰箱的结构,提出了如下改进:a.将 横杠内绝热材料由成形的聚苯乙烯泡沫塑料改为 导热系数更小的发泡的硬脂聚氨酯绝热材料.b. 将一根横杠上设置的两根防露管改为单根防露 管,且从横杠的外表面中间通过.c.在横杠的上 下表面及冰箱内顶面外掾处采用翻边,以隔离流 动空气与横杠上下表面的直接接触. 并对进风口重新布置:由于冰箱的三个抽屉 的温度场并不均匀,上抽屉的平均温度要比中,下 抽屉的平均温度低,因此建议减少上抽屉的送风 口数量,将原型冰箱上抽屉两个横截面积为112 1Tlncl×12rnrn的风口,改为两个截面积为84rnrn× 12rnrn的风口;同时,为了改善下抽屉的温度的均 匀性,考虑到下抽屉较深,将下抽屉的送风口略微 向下倾斜15.,而其他两个抽屉不深,不宜倾斜, 不作变动.根据改进,重新建立冰箱模型,得 到如图6所示的温度场云图. w 259.izss—s舞256.2盈255.0图5原型冰箱温度场云图图6改进后 冰箱温度场云图 (上接第33页)阶段变化不平稳,与冷凝器的 T】3,T】7点变化形成对应,反映了蒸汽排挤液体 的过程.另外在这个阶段过冷器两端的温度T35 突然从3.81?升到9.01?,而T34则由4.81? 下降到3.20?,说明在这个阶段由于蒸发器内的 蒸汽温度压力的增大,在蒸汽排挤液体管道和冷 凝槽道液体的同时,蒸发器液体腔也排挤了一部 分液体进入了液体管道,但这个过程是一个短暂 的能量喷发,随之T34迅速回升到5.32?,T35则 回落到3.52?,对应了T】1的下降变化,表明蒸 发器开始补液.冷凝器的汽液界面反复推进回流, 由于压力的影响,蒸发器液体腔的补液也不稳定, 经过流人流出几个回合,所以造成了T34和T35 的温度振荡.随着冷凝器的汽液界面的稳定,T34 和T35的剧烈波动也很快衰减.在进入C区域后 从图6可以看出,横杠附近空气比较接近箱 内平均温度,温度的变化也比较平缓;同时,由于 改小了上抽屉的风口面积,改变了原来上抽屉温 度偏低的现象,使得三个抽屉的温度基本保持一 致;下抽屉的进风口向下倾斜15.后,温度场的均 匀性得到很大的改善.总之,改进后箱内的温度场 无论是抽屉与抽屉之间,还是单独每一个抽屉内 部,其温度均匀性和平均温度值都比改进前理想 得多.因此,从数值模拟的角度来看,上述的改进 是行之有效的,这对于减少该冰箱的能耗具 有重要作用. 参考文献 l1]GiovanniC_ortella,MarcoMB/1z~n,GianniComini. CFDsimulationofrefrigerateddisplaycabinets[J].In— ternationalJournalofRegeration,2001,24(3): 250—260 [2]HoangML,VerbovenP,DeBaerdemaekerJ,eta1. Analysisoftheairflowinacoldstorebymeansof computationalfluiddynamics[J].InternationalJournal ofRefrigeration,2000,23:127—140 [3]丁国良,LR.Oellrich.冰箱箱内空气温度场与流场的 优化研究[J].制冷,1998(1):22—27 [4]于兵等.间冷冰箱气周耦合传热与流动数值研究[J]. 上海交通大学,1998,32(7):23—27 [5]唐琼辉,何国庚,郑贤德.间冷式冰箱箱体的漏热与节 能研究[J].流体机械,2002,30(5):56—58 T35较快稳定,由于冷凝器的工作,从冷凝器流出 的回流液的温度在逐渐升高,T34的温度也升高 了. 参考文献 [1]张加迅,侯增祺.CPL技术在空间飞行器上的应用 [J].工程热物理,2001,22(3):340--343 [2]曲伟,刘纪福,侯增祺等.毛细抽吸两相回路的启动 特性研究[J].哈尔滨工业大学,1999,31(4): 74—79 [3]MuraokaI,RamosFM,VlassovVV.Experimental andtheoreticalinvestigationofacapillarypumpedloop withaporousdementinthecondenser[J].Internation alCommunicationsinHeatandMassTransfer,1998, 25(8):1085—1094