1. 引言
近年来，随着国家经济飞速发展，商用冰箱在当下的社会生产、生活中有着举足轻重的地位，给人们带来便利 [1] 。人们从单纯旨在冷藏、冷冻食物转变为注重食物品质 [2] 。冰箱食物保存质量依赖箱体流场以及温度分布 [3] [4] [5] ，气流组织作为评价流场、温度场的一个指标，合理的气流组织包括送回风口位置、风速、温度等参数 [6] 的设定。随着技术的不断发展，气流组织分布研究从实验向仿真模拟转变，利用流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)进行求解，具有节省时间成本且可以快速模拟出不同的工况等优点 [7] [8] [9] ，为箱体气流组织设计提供依据 [10] [11] 。
针对性能方面，主要是人们对冰箱储存食物品质、保鲜的需求，研究学者集中于对箱体内部温度均匀性的研究 [12] [13] [14] [15] ，通过对不同的出风口形式 [16] 、风口尺寸 [17] 以及出风角度 [18] 等方面进行研究以提高温度均匀性。而本文将以某品牌一台四门风冷冰箱为模型，建立三维流体模型，对不同出风口位置进行模拟，对其温度场以及速度场进行分析研究，拟通过模拟结果分析找出最为合理的风口位置。
2. 模型建立
2.1. 几何模型
本文所模拟的对象为某品牌一台四门风冷冰箱，冰箱尺寸长 × 宽 × 高 = 1210 mm × 700 mm × 1500 mm。回风槽口由一个6 × 34 mm矩形和两个半径3 mm半圆组成。蒸发器位于冰箱上部装饰罩内，风扇位于蒸发器前方。循环风通过出风口进入到箱体内部，由于风机作用，使得循环风通过回风口回到蒸发器，形成强制循环。图1为风冷冰箱结构示意图，图2为进出风口位置示意图。
Figure 1. Structure of air-cooled refrigerator
图1. 风冷冰箱结构
Figure 2. Location of air inlet and outlet
图2. 进出风口位置
2.2. 数值模型
为减少数值模拟的计算量以及复杂程度作出以下假设：
1) 由于风冷冰箱内部的空气流动速度较为缓慢且压差变化不大，因此将空气视为不可压缩流体。
2) 假设室外环境温度恒定且忽略周围环境对于冰箱内部环境的干扰。
3) 假设冰箱内部气流为不可压缩的定常流动，满足Boussinesq假设，使用RNGk-ε方程湍流模型。
4) 不考虑箱体的漏热，出风口温度恒定。
2.3. 边界条件
为了研究冰箱内部气流组织以及温度场变化，以某品牌四门冰箱为原型，并进行相对应的简化如图3所示。箱体尺寸1210 × 700 × 1500 mm，壁厚50 mm。风冷冰箱保温层如图4所示，中间为发泡层，内部材质为不锈钢201，外部材质为不锈钢430。送风口选用速度入口，选择送风温度为248 K，送风速度设置为1 m/s，回风口设置为压力出口，箱体外壁四周设置绝热。
Figure 3. Simplified diagram of refrigerator
图3. 冰箱简化图
Figure 4. Schematic diagram of insulation layer
图4. 保温层示意图
2.4. 模型网格划分
对模型网格划分，设置网格尺寸为100 mm，并对出入风口处进行局部加密，加密处网格尺寸设置为2 mm，最终得到总网格数为2,183,795，如图5所示。
设置总体网格尺寸分别为150 mm、125 mm，100 mm、80 mm和60 mm，选取出口速度作为监测点进行独立性验证，具体如表1和图6所示，当网格数为2,183,795时，速度变化量小于2%。考虑到模拟成本和计算的正确性，因此最后选用2,183,795的网格进行模拟计算。
Figure 6. Grid independence verification
图6. 网格独立性验证
3. 模拟结果及分析
3.1. 试验、模拟对比校核
试验在公司冰箱性能实验室内进行，实验室保持恒温，温度为27℃，对四门风冷冰箱进行试验并使其可以达到最低温度且稳态状态，运用温度探头每一分钟进行一次温度采集，试验共进行5 h。取稳定状态时的温度数据作为试验数据与模拟数据进行对比。测点共9个，如图7所示。
设置于冰箱一层监测点1 (1110，100，1050)、监测点2 (1110，600，1050)、监测点3 (100，600，1050)、监测点4 (100，100，1050)；二层监测点5 (605，350，700)；三层监测点6 (1110，600，350)、监测点7 (100，600，350)、监测点8 (1110，100，350)、监测点9 (100，100，350)。
试验温度通过温度探头进行记录温度数据，模拟温度通过Ansys软件在模型的相同位置设置监测点进行记录数据将稳态情况下温度数据对比如表2：
Table 2. Comparison of simulation and test temperatures
表2. 模拟、试验温度对比
由表2可知，在9个监测点中，误差最小的为1.66%，最大为4.13%，即模拟模型以及参数设置可靠。数据表明，试验与模拟结果相近，但存在一定的差值。且从表2中可以看出在冰箱趋于稳定情况下模拟温度稍低于试验温度，这是由于未考虑到实际冰箱中门封漏热以及箱体与环境进行换热。对比模拟与试验，表明模型可用。
3.2. 箱体内部气流组织模拟分析
箱体内部模拟结果如图8所示。图8为冰箱整体的温度分布云图，从图中可以看出整体温度已经趋向于稳定，冰箱边角由于涡流，空气扰动不充分使得温度稍高于箱体内部平均温度，图9为Y = 0.35处的温度分布云图，界面处温度分布较为均匀顶部由于左右处涡流作用使得温度稍高于其余位置，整体温度分布合理，能够比较好的达到所需的温度范围。
Figure 9. Temperature distribution at Y = 0.35 m
图9. Y = 0.35 m处温度分布图
图10和图11分别为Y = 0.35，X = 0.75截面的速度矢量图。图10表明气流从出风口吹出后，撞击后侧壁面后通过后壁面向下流动并在与箱体内部空气充分接触后从回风口吸入的一个趋势图。从图中可知回风速度也比较好，是的箱体内部的气流组织循环较为良好。图11截面处速度分布表明由于顶部回风口位于装饰罩前端，导致气流到达顶部后部分气流不能有效吸入回风口，顶部两侧位置的气流在运动轨迹上形成小涡流，对于气流的扰动具有一定的影响。且由于回风口上方风机作用，冰箱内中间的空气向上流动，从出风口流出在两侧形成两个涡流区。总体上来看，箱体内部直吹平面的截面气流组织分布较为均匀。
Figure 10. Section velocity vector at Y = 0.75 m
图10. Y = 0.75 m处截面速度矢量图
Figure 11. Section velocity vector at X = 0.35 m
图11. X = 0.35 m处截面速度矢量图
3.3. 不同进出风口位置的对比及分析
验证出模型有效后，为了研究在适宜出风口风速下，不同进出风口位置对冰箱内部的气流组织的影响，将进出风口位置移动到正下方，顶部与左壁面贴靠以及右侧壁面正中心进行模拟来研究分析箱体内部的流场分布情况。选取箱体内宽度方向中间切面观察其温度场以及速度矢量，位置如图12。
(a) 正下方 
(b) 左贴靠 
(c) 右侧送
Figure 12. The arrangement of air inlet and outlet
图12. 进出风口摆放位置
温度云图速度场如下图13和图14所示，从各个出风口位置的Y = 0.35界面处温度场、速度场中可以看出：
(a) Y = 0.35 m处截面(正下方) 
(b) Y = 0.35 m处截面(左贴靠) 
(c) Y = 0.35 m处截面(侧面)
Figure 13. Temperature distribution diagram ((a)~(c))
图13. 温度分布图((a)~(c))
(a) Y = 0.35 m处截面(正下方)
(b) Y = 0.35 m处截面(左贴靠) 
(c) Y = 0.35 m处截面(侧面)
Figure 14. Velocity vector diagram ((a)~(c))
图14. 速度矢量图((a)~(c))
1) 下送下回时，冷风直吹后壁面，由速度场可知，在远离风口的顶端，速度较慢这是由于下送下回布置方式下，距离顶部的纵向距离相对较长，而重力的作用使得想要到达顶端的冷风所需要的流速要求更高，温度场相对均匀但整体温度高于上送上回，这是由于从出风口送出的冷风其中有部分未与箱体内部空气充分接触就从回风口流出，流速较慢，且箱体内空气换热不充分，使得其到达稳态时间也相对较长。总体来看，箱体宽度方向切面气流组织分布较为均匀，但所需时间更长且总体温度相较于顶部中间送风更高。
2) 当进出风口左贴靠与箱体时，顶部远离风口处存在一个涡流区域，由速度场可知，由于回风口位于左上方时，部分气流未被吸入回风口而在右上方形成涡流，可以看出涡流处速度逐渐减小，这是由于受到了各个壁面的撞击。从温度场可得，冷空气与右上方气流接触换热不充分导致出现温度相对较高的区域。
(3) 进回风口布置为侧送侧回时可以看出温度分布较为均匀但高于上送上回，且左壁面温度较低，这是由于冷空气从侧面出风口吹出后吹至左侧壁面使得左侧壁面与冷空气充分接触。
由表3可知，将稳态时各个摆放位置的九个监测点的模拟温度进行温度标准差计算。分析可知，且放置在侧面以及底部中间位置时，温度分布较为均匀但高于顶部中间位置，而左贴靠位置下温度波动性较大。温度当进回风口设置在顶部中间位置时，温度标准差最小，均匀性较高，其温度波动较小。有助于延长产品的保质期以及抑制微生物生长。
4. 结论
1) 本文所使用的仿真模拟方法与同工况下的试验结果相接近，试验与模拟监测点温度值相对误差最大为4.13%，最小为1.66%，验证了所建立的模型的适用性。
2) 以该风冷冰箱作为研究对象，本文通过不同位置的进回风口温度场以及速度场模拟可知，风口位于左贴靠下会产生较为明显的涡流且右上方温度明显高于其他位置，相比之下，顶部以及底部、侧面正中间摆放具有一定的对称性，且位于正上方中间位置时温度较低，分布均匀且速度分布最为合理。
3) 通过对于各个监测点进行的温度标准差计算可得，左贴靠情形下由于明显涡流的存在导致其均匀性受较差，摆放在顶部底部、侧面中心位置时温度场具有良好的均匀性且顶部均匀性最佳，有利于延长产品的保鲜期并抑制微生物的滋生。
参考文献
NOTES
*通讯作者。