冰箱温度场数值模拟结果分析

1绪论一电冰箱概述及数值仿真基础二冰箱箱内温度场及流场数值仿真

三冰箱保温层隔热特性研究和改进设计四温度测试实验系统及计算结果对比

五总结与展望

六论文结构框架2课题来源：西安交大-新飞集团战略合作重点研究项目——“冰箱产品快速设计系统研究”研究背景冰箱节能存在巨大的潜在价值中国目前的冰箱保有量已达1.3亿台，冰箱用电已占居民用电的50%。未来十五年内中国冰箱平均每年耗电将达到400亿度以上，相当于三峡水电站年最高发电量的一半，如果全部采用节能冰箱，每年可节约的电力相当于葛洲坝水电站发电量的一半以上。影响冰箱能耗的关键因素提高保温层的隔热性能可以延缓冷量的损失，缩短压缩机的开机时间，减少制冷启动次数，达到节能降耗的目的。冰箱的能耗与箱内的温度场和流场有着密切的关系，按照冰箱的测试要求，冷藏箱中三个测试点的温度必须在0℃和10℃之间，而且平均温度在开停机过程中必须在5℃以下，如果箱内空气温度场差异很小的话，上述要求是很好满足的，而且冰箱的开机和停机时间都可以定得较长，开停机的次数就较少，开停机的损失也就少了，这就达到了节能的目的。1绪论3食物保鲜依赖均匀合适的温度

除真空保鲜技术之外，其他所有的保鲜技术无一例外的要在合适的温度下才能达到预期目的，每一种食品都有一个最佳的存储温度和湿度，温度过高或过低都有可能造成食品的提前变质，并且在等压强下湿度与温度也有密切关系，温度决定了空气中的饱和水汽量，温度越高饱和水汽量会越大，空气的绝对湿度会增大。因此，合理均匀的冰箱间室温度是食品保鲜的关键，其他技术则只属于一种从属辅助手段。CAE技术在冰箱设计中的应用

目前许多企业在设计冰箱时采用的还是传统的经验设计方法，通常都是在现有冰箱的基础上做一些改动，来尝试提升冰箱的性能，而对新式冰箱的评估则是进行一系列的试验测试，这样往往会造成开发周期过长，耗费人力物力，但是如果将CAE技术（ANSYS分析技术和CFD分析技术）运用到冰箱设计中，则可以大大缩短开发时间，完成多种设计方案评估，减少对模具和制作费用的投入，提高企业对市场的快速适应能力。1绪论4研究现状冰箱箱内温度场及流场的研究现状封闭腔内的自然对流换热问题国外学者：Elder、Gill；Bejan和Tien；Chu、Jones、L.R.Oellrich国内学者：凌长明、陶文铨、周湘江、凌长明、丁国良、杨茉等

数值计算——软件模拟、二维模型——三维模型、单一因素——耦合因素的过程。箱内的流动多简化为层流来处理，有些学者考虑了内冷源和内热源的影响。有些学者对箱内的温度场影响因素也做了研究，并提出了结构方面的改进意见，但是没有全面的研究影响温度场的各种因素，比如本身结构因素（搁架与门间距、搁架与后壁间距等），尤其是缺乏外界因素（环境温度、箱内湿度、冷藏蒸发器温度）对箱内温度场的影响分析。本文针对这方面的不足，通过紊流模型和流固共轭传热模型探索影响箱内温度分布的主导因素，提出改进意见，为冰箱的进一步优化设计提供理论参考。1绪论5保温层研究现状传统硬质聚氨酯泡沫保温层热导率一般在0.027w/m.k粘接性好，流动填充性好成型工艺简单，成本低，重量轻对环境有污染真空绝热板应用于冰箱保温层导热系数一般为0.005w/m.kVIP价格比较高1994年以后，VIP在冰箱中开始应用日本用量较大，欧洲次之，美国较少中国VIP处于研发阶段，市场处于启动阶段（兰州物理研究所、长岭集团、厦门高特高新材料有限公司等）1绪论6研究意义（1）系统的研究了直冷冰箱箱内温度场及其分布，详细阐明了各个因素对于温度场及温度分布的影响，提出了一些原则性的改进意见，为冰箱的进一步优化设计提供了参考和理论依据。（2）通过对箱内温度随时间的变化分析，提出了有利于节能的温控器温度调节策略，减少了压缩机的工作时间，这不仅为温控器的设计提供了重要依据，更重要的是能够达到较好节能的目的，有着实际的工程应用价值。（3）研究了传统保温层厚度与等效传热系数之间的关系，提出了经济合理的传统保温层厚度，这为传统保温层的优化设计提供了依据。（4）设计了新型绝热层结构，并将其应用到冰箱发泡层当中构成新型保温型式，通过对比分析发现，其隔热性能与目前市场先进的真空绝热板媲美，强度满足工作需要，而且成本相对较低。新型保温层不仅提高了冰箱保温层的隔热性能，降低了冰箱的能耗，而且对于改善冰箱内的温度分布起到了积极地作用，达到了节能和保鲜的双重目的。这是本文研究工作实用价值的重要体现。1绪论7技术路线1绪论8绪论一电冰箱概述及数值仿真基础二冰箱箱内温度场及流场数值仿真

三冰箱保温层隔热特性研究和改进设计四温度测试实验系统及计算结果对比

五总结与展望

六论文结构框架9电冰箱概述结构组成工作原理2电冰箱概述及数值仿真基础液体汽化吸热来制冷10冰箱中的传热和流动冰箱中热量传递热传导对流换热辐射换热冰箱中的流动层流湍流过渡态流体的流动状态一般用雷诺数判定。一般管道流动Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。

2电冰箱概述及数值仿真基础11

箱内空气的自然对流（b所示）箱内流动状态判断瑞利准则当边界层处于层流当边界层处于过渡区当边界层处于紊流Gr——格拉晓夫数；Pr——普兰特尔数；

2电冰箱概述及数值仿真基础12冰箱保温性能量度传热系数在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米·度。热通量单位时间内单位界面积传递的量称为通量,若传递的是热量称为热通量；若传递的是质量则称为物料通量。导热系数在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度，在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米•度。K＝q/ΔT

导热系数是描述物质物性的物理量，与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关传热系数不是描述物质物性的物理量，它会随着不同的外界条件而发生变化，例如温度、流速、流量等

2电冰箱概述及数值仿真基础13冰箱热分析理论基础在ANSYSWorkebench当中利用模型几何参数，材料热物理性能参数以及施加的边界条件，生成上面的求解矩阵。2电冰箱概述及数值仿真基础热力学第一定律14冰箱流体分析理论基础CFD计算方法有限差分法（本文选择）有限容积法有限元法有限分析法CFD求解过程2电冰箱概述及数值仿真基础15边界层理论边界层的发展边界层的结构边界层的厚度以长度x为定性长度的雷诺数；2电冰箱概述及数值仿真基础16湍流模拟方法及模型湍流模拟方法直接模拟大涡模拟雷诺时均方程（本文）湍流模型零方程模型，一方程模型，两方程模型，雷诺应力输运方程模型(RSM)，代数应力模型(ASM)模型K指单位质量流量的湍流脉动动能是指脉动动能的耗散率，通过引入可以把湍流粘性系数与K联系起来2电冰箱概述及数值仿真基础17绪论一电冰箱概述及数值仿真基础

二冰箱箱内温度场及流场数值仿真

三冰箱保温层隔热特性研究和改进设计四温度测试实验系统及计算结果对比

五总结与展望

六论文结构框架18计算模型物理模型保温层等效简化冷藏蒸发器的等效忽略门封等附件模型假设（1）在稳态工况下分析计算研究对象的温度场和流场分布，因此所有微分方程中忽略时间项的影响；（2）计算时通过实验获取各壁面温度，因此边界条件为第一类边界条件；（3）忽略冰箱箱体内相变过程，认为冰箱箱体内的空气是干空气且为牛顿流体，定压比热容为定值；（4）箱体内空气在固体内壁面上满足无滑移边界条件；（5）冰箱稳定状态下，冷藏蒸发器所在后壁面温度恒定；忽略辐射换热；（6）门封的影响在壁面导热系数中加以考虑；（7）满足Boussinesq假设，即：流体中的粘性耗散忽略不计；除密度外，其它物性为常数；对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度作为常数处理。3冰箱箱内温度场及流场数值仿真19控制方程3冰箱箱内温度场及流场数值仿真20边界条件流动边界条件根据模型假设，取无滑移边界条件，即所有固体表面上流体的速度等于固体表面的速度，即就是：u=v=w=0。热边界条件分析采用整体解法，给定了冰箱外壁所处的环境温度以及与环境的对流换热系数，即第三类边界条件，温度值通过实验来测得，对流换热系数根据经验值确定，还有就是冷藏室后壁和冷冻蒸发器的温度，属于第一类边界条件，是由温度测试实验获得特征点的温度值后求面积平均获得。控制方程加上了流动边界条件和热边界条件构成了对箱体内空气流动和传热的完整的数学描述。后面为了研究不同因素对箱内温度场及流场的影响，对热边界条件也进行了变化3冰箱箱内温度场及流场数值仿真21网格划分边界层厚度估算为边界层厚度第一个节点与固壁之间的距离

3冰箱箱内温度场及流场数值仿真22网格划分结果（a）（b）（c）（d）（e）3冰箱箱内温度场及流场数值仿真23冰箱温度场与流场分析过程数值模拟整体思路整体解法将箱体导热、箱体外壁与环境对流换热、内壁与箱内空气对流换热、箱内空气的自然对流以及门封的漏热整体考虑，建立包含固体与流体的耦合物理模型。分析流程3冰箱箱内温度场及流场数值仿真24分析主要设置3冰箱箱内温度场及流场数值仿真25分析主要结果3冰箱箱内温度场及流场数值仿真26网格无关性分析微分方程转化为离散代数方程时，网格的疏密直接影响到离散误差。对于同样的离散格式网格越密，离散误差就越小，因而获得数值解的网格应该足够的细密3冰箱箱内温度场及流场数值仿真27冰箱温度场数值模拟结果分析（1）环境温度（2）箱内湿度（3）冷藏蒸发器温度（4）搁架与后壁的间距（5）搁架与门的间距（6）搁架导热系数（7）保温层导热系数（1-1）（1-2）3冰箱箱内温度场及流场数值仿真28（2-1）（2-2）（3-1）（3-2）（4-1）（4-2）3冰箱箱内温度场及流场数值仿真29（5-1）（5-2）（6-1）（6-2）（7-1）（7-2）3冰箱箱内温度场及流场数值仿真30冷藏箱内温度分布影响因素分析不同因素对箱内温差的影响不同因素对箱内温度的影响3冰箱箱内温度场及流场数值仿真31结论：（1）要使冷藏箱内温度场分布相对均匀，需要控制冰箱内部结构的几个参数，搁架与后壁的距离应控制在25mm左右，搁架与门的间距应控制在5mm左右，上下浮动范围为5mm。（2）冷藏箱内温度与冷藏蒸发器温度成正比，箱内总体温差与冷藏蒸发器温度成反比，因此，需要控制冷藏蒸发温度在合理的范围内，太低或者太高都是不合理的，满足总体温度范围的最高蒸发温度是理想的蒸发器温度。（3）箱内温度和总体温差与保温层导热系数成正比关系，并且影响都比较明显，保温层导热系数越小越好。（4）环境温度对于箱内温度和总体温差影响很大，虽然不好控制环境温度，但是应该尽可能的使冰箱处于温度稍低的通风干燥处。（5）搁架导热系数和箱内湿度对于冰箱内的温度分布影响很小，如果不是精确要求，一般情况可以不予考虑，但是箱内湿度应该越大越好，这样可以降低箱内食物的水分损失，对食物的保鲜有着积极作用。3冰箱箱内温度场及流场数值仿真32冷藏箱内温控器温度调节分析

温控器的温度调节，单单依靠设定温度值是不合理的，应该将温度值和该温度在温度曲线中对应的斜率相结合来设定，通过分析发现，当改点温度斜率达到-0.09时设定为温控点比较合理。这样不仅可以使得压缩机工作在制冷效率较高的区间，而且减少了压缩机的工作时间，达到节能的目的3冰箱箱内温度场及流场数值仿真33绪论一电冰箱概述及数值仿真基础

二冰箱箱内温度场及流场数值仿真

三冰箱保温层隔热特性研究四温度测试实验系统及计算结果对比

五总结与展望

六论文结构框架34传统保温层传热特性分析模型建立模型尺寸为575*725*W（mm），这里W是模型的厚度，为了研究保温层厚度对于传热性能的影响，取通常保温层厚度上下40mm范围来研究。厚度分别是50、65、80、90、100、110(mm)。

4冰箱保温层隔热特性研究35边界条件设置分析云图50mm热通量云图65mm热通量云图80mm热通量云图50mm热通量云图4冰箱保温层隔热特性研究36100mm温度场云图50mm温度场云图100mm热通量云图110mm热通量云图90mm热通量云图4冰箱保温层隔热特性研究37结果后处理工程上规定保温性能用传热系数K值来衡量，将云图数据导出可以建立如下表格，并根据公式：K＝q/ΔT计算等效传热系数4冰箱保温层隔热特性研究38等效传热系数随着保温层厚度增加而减小。呈现指数衰减曲线规律，通过MATLAB拟合为。随着厚度增加保温层等效传热系数减小速率减慢。在一定的边界条件下，保温层厚度存在一个比较合理的范围，厚度太小时保温性能差，厚度太大时保温性能提高比较小，而且浪费材料。在一般情况和边界条件下，85mm厚度左右的保温层为经济合理的厚度。4冰箱保温层隔热特性研究39新型保温层设计新型绝热层结构模型结构组成4冰箱保温层隔热特性研究40原理说明（1）避免固体热传导和延长热传导的路径。（2）减少空气热对流交换。（3）降低辐射换热。关键技术（1）面板内空间表面处理（2）面板、支柱材料的选择（3）支柱的合理布置（4）密封固定4冰箱保温层隔热特性研究41新型绝热层结构分析网格划分边界条件确定绝热层内外表面温度值的确定结构分析边界条件确定外面温度值云图里面温度值云图力边界条件加载4冰箱保温层隔热特性研究

结果云图（最大变形1.7mm，最小安全系数1.27）42总体应力云图支柱与密封条应力云图安全系数云图热通量云图总体变形云图支柱与密封条变形云图4冰箱保温层隔热特性研究43新型绝热层与真空绝热板对比分析真空绝热板传热分析

模型尺寸为575*725*W（mm），这里W是模型的厚度，取常见的厚度分别是10、15、20、25、30、35。单位为mm。分析边界4冰箱保温层隔热特性研究44结果云图（10、15、20、25、30、35mm）4冰箱保温层隔热特性研究45结果分析新型绝热层传热分析模型（与结构分析相同）边界条件4冰箱保温层隔热特性研究46结果分析在AnsysWorkbench中导出面上节点的热通量值并求平均值得到外面上平均热通量值为10.932真空绝热板与新型绝热层保温性能对比

结构原理上看，真空绝热板芯材是多孔材料，虽然热导率很低，但是毕竟是固体导热，固体导热路径比较短；而新设计的绝热层尽量避免固体导热并延长导热路径，只用比较少的热导率较低的支柱来支撑面板，同时新型绝热层为了减少热辐射，面板内表面进行了处理，采用发射率很低的铝涂层。4冰箱保温层隔热特性研究47新型保温层与传统保温层对比分析模型网格划分边界条件4冰箱保温层隔热特性研究48结果分析在AnsysWorkebench的热通量云图中导出节点热通量值，并求平均值得面上平均热通量为12.81

4冰箱保温层隔热特性研究49传统保温层与新型绝热层保温性能对比40mm新型保温层与传统保温层80mm下的等效传热系数相差无几

4冰箱保温层隔热特性研究50绪论一电冰箱概述及数值仿真基础

二冰箱箱内温度场及流场数值仿真

三冰箱保温层隔热特性研究和改进设计

四温度测试实验系统及计算结果对比

五总结与展望

六论文结构框架51实验系统实验原理方案冰箱温度测试是冰箱型式试验的核心内容，同时测量结果也是仿真分析的基本试验系统主要由采用自制的数据采集/开关单元和温敏电阻、电度表、采集卡电源、PC机等连接组成系统

5温度测试实验系统及计算结果对比52测点布置3号测点位于冷藏箱顶部中心；26号测点位于冷藏箱顶部外侧27号测点位于冷藏箱底部中心；28号测点位于冷藏箱顶部外侧；29号测点位于冰箱外壁面；30号测点位于冷冻箱体顶面与顶层蒸发器空间中心位置，31号测点位于第一与第二层蒸发器空间中心位置；32号测点位于冷冻二三层蒸发器空间中心位置

5温度测试实验系统及计算结果对比53实验内容将测点布置固定好后，然后插上冰箱电源以及采集卡与PC机电源，进行实时温度测量，数据采集程序每秒采集一次数据，根据实验数据，进行了24小时的温度在线记录，并将测试数据保存到计算机。实验过程的主要图片见下图所示调整好实验室的空调温度为30℃，待实验室温度达到30℃时开始进行实验，调节冷藏箱内的温控器到2.5档5温度测试实验系统及计算结果对比54实验结果曲线5温度测试实验系统及计算结果对比55实验值与计算值对比及误差分析最大绝对误差为2.3℃，最小绝对误差为0.4℃，在工程允许的范围内。5温度测试实验系统及计算结果对比56绪论一电冰箱概述及数值仿真基础

二冰箱箱内温度场及流场数值仿真

三冰箱保温层隔热特性研究和改进设计

四温度测试实验系统及计算结果对比

五总结与展望

六论文结构框架57（1）全面的研究了各个因素对于直冷冰箱箱内温度分布的影响，提出了改进温度分布的各项措施，并发现保温层导热系数的微小变化对于箱内温度的均匀分布比较敏感，当保温层导热系数小于0.03时，保温层导热系数每增加0.01，温差值就上升1.7℃左右；当保温层导热系数大于0.03时，保温层导热系数每增加0.01，温差值就上升0.3℃左右。因此提高保温层隔热性能，可以改善箱内温度分布，这些为冰箱进一步优化设计提供了理论参考。（2）对箱内温度场随时间的变化进行了分析，发现箱内温度变化服从指数衰减规律，提出了温控器温度调节的较优策略，即将温度值和该温度在温度曲线中对应的斜率相结合来设定温控点，当改点温度斜率达到-0.09时设定为温控点比较合理。这不仅为温控器的控制设计提供了重要依据，更重要的是减少了压缩机的工作时间，达到了节能的目的。（3）在普通使用环境下，研究了传统保温层厚度与等效传热系数之间的关系，提出了传统保温层经济合理的厚度为85mm左右的结论。提出了一种新型绝热层结构，对其进行了传热和结构应力分析，发现结构最小安全系数为1.27，最大变形为1.7mm，完全满足工程需要。通过与真空绝热板进行传热分析对比，发现其隔热性能比真空绝热板稍好些，成本却低的多；并将新型绝热层应用到发泡层当中构成新保温层型式，通过与现有传统保温层对比，发现同等隔热效果下厚度是传统保温层的一半还小。（4）搭建了温度测试实验系统，对空间特定点和内外壁面温度进行了测量，适时采集了实验数据，并对实验数据进行后处理，总结了测温点随时间的变化规律，为数值模拟提供了边界条件，并验证数值计算模型的正确性。6结论展望58展望（1）对数值计算模型的进一步研究。数值计算模型的可靠度决定了数值模拟结果的准确度，本论文根据研究侧重点和计算机硬件水平，对模型进行了适当的简化，这势必带来数值计算结果与真实情况的出入。因此，需要对计算模型的进一步优化，从而提高计算精度，更加准