1緒論一電冰箱概述及數值仿真基礎二冰箱箱內溫度場及流場數值仿真

三冰箱保溫層隔熱特性研究和改進設計四溫度測試實驗系統及計算結果對比

五總結與展望

六論文結構框架2課題來源：西安交大-新飛集團戰略合作重點研究項目——“冰箱產品快速設計系統研究”研究背景冰箱節能存在巨大的潛在價值中國目前的冰箱保有量已達1.3億臺，冰箱用電已占居民用電的50%。未來十五年內中國冰箱平均每年耗電將達到400億度以上，相當于三峽水電站年最高發電量的一半，如果全部采用節能冰箱，每年可節約的電力相當于葛洲壩水電站發電量的一半以上。影響冰箱能耗的關鍵因素提高保溫層的隔熱性能可以延緩冷量的損失，縮短壓縮機的開機時間，減少制冷啟動次數，達到節能降耗的目的。冰箱的能耗與箱內的溫度場和流場有著密切的關系，按照冰箱的測試要求，冷藏箱中三個測試點的溫度必須在0℃和10℃之間，而且平均溫度在開停機過程中必須在5℃以下，如果箱內空氣溫度場差異很小的話，上述要求是很好滿足的，而且冰箱的開機和停機時間都可以定得較長，開停機的次數就較少，開停機的損失也就少了，這就達到了節能的目的。1緒論3食物保鮮依賴均勻合適的溫度

除真空保鮮技術之外，其他所有的保鮮技術無一例外的要在合適的溫度下才能達到預期目的，每一種食品都有一個最佳的存儲溫度和濕度，溫度過高或過低都有可能造成食品的提前變質，并且在等壓強下濕度與溫度也有密切關系，溫度決定了空氣中的飽和水汽量，溫度越高飽和水汽量會越大，空氣的絕對濕度會增大。因此，合理均勻的冰箱間室溫度是食品保鮮的關鍵，其他技術則只屬于一種從屬輔助手段。CAE技術在冰箱設計中的應用

目前許多企業在設計冰箱時采用的還是傳統的經驗設計方法，通常都是在現有冰箱的基礎上做一些改動，來嘗試提升冰箱的性能，而對新式冰箱的評估則是進行一系列的試驗測試，這樣往往會造成開發周期過長，耗費人力物力，但是如果將CAE技術（ANSYS分析技術和CFD分析技術）運用到冰箱設計中，則可以大大縮短開發時間，完成多種設計方案評估，減少對模具和制作費用的投入，提高企業對市場的快速適應能力。1緒論4研究現狀冰箱箱內溫度場及流場的研究現狀封閉腔內的自然對流換熱問題國外學者：Elder、Gill；Bejan和Tien；Chu、Jones、L.R.Oellrich國內學者：凌長明、陶文銓、周湘江、凌長明、丁國良、楊茉等

數值計算——軟件模擬、二維模型——三維模型、單一因素——耦合因素的過程。箱內的流動多簡化為層流來處理，有些學者考慮了內冷源和內熱源的影響。有些學者對箱內的溫度場影響因素也做了研究，并提出了結構方面的改進意見，但是沒有全面的研究影響溫度場的各種因素，比如本身結構因素（擱架與門間距、擱架與后壁間距等），尤其是缺乏外界因素（環境溫度、箱內濕度、冷藏蒸發器溫度）對箱內溫度場的影響分析。本文針對這方面的不足，通過紊流模型和流固共軛傳熱模型探索影響箱內溫度分布的主導因素，提出改進意見，為冰箱的進一步優化設計提供理論參考。1緒論5保溫層研究現狀傳統硬質聚氨酯泡沫保溫層熱導率一般在0.027w/m.k粘接性好，流動填充性好成型工藝簡單，成本低，重量輕對環境有污染真空絕熱板應用于冰箱保溫層導熱系數一般為0.005w/m.kVIP價格比較高1994年以后，VIP在冰箱中開始應用日本用量較大，歐洲次之，美國較少中國VIP處于研發階段，市場處于啟動階段（蘭州物理研究所、長嶺集團、廈門高特高新材料有限公司等）1緒論6研究意義（1）系統的研究了直冷冰箱箱內溫度場及其分布，詳細闡明了各個因素對于溫度場及溫度分布的影響，提出了一些原則性的改進意見，為冰箱的進一步優化設計提供了參考和理論依據。（2）通過對箱內溫度隨時間的變化分析，提出了有利于節能的溫控器溫度調節策略，減少了壓縮機的工作時間，這不僅為溫控器的設計提供了重要依據，更重要的是能夠達到較好節能的目的，有著實際的工程應用價值。（3）研究了傳統保溫層厚度與等效傳熱系數之間的關系，提出了經濟合理的傳統保溫層厚度，這為傳統保溫層的優化設計提供了依據。（4）設計了新型絕熱層結構，并將其應用到冰箱發泡層當中構成新型保溫型式，通過對比分析發現，其隔熱性能與目前市場先進的真空絕熱板媲美，強度滿足工作需要，而且成本相對較低。新型保溫層不僅提高了冰箱保溫層的隔熱性能，降低了冰箱的能耗，而且對于改善冰箱內的溫度分布起到了積極地作用，達到了節能和保鮮的雙重目的。這是本文研究工作實用價值的重要體現。1緒論7技術路線1緒論8緒論一電冰箱概述及數值仿真基礎二冰箱箱內溫度場及流場數值仿真

三冰箱保溫層隔熱特性研究和改進設計四溫度測試實驗系統及計算結果對比

五總結與展望

六論文結構框架9電冰箱概述結構組成工作原理2電冰箱概述及數值仿真基礎液體汽化吸熱來制冷10冰箱中的傳熱和流動冰箱中熱量傳遞熱傳導對流換熱輻射換熱冰箱中的流動層流湍流過渡態流體的流動狀態一般用雷諾數判定。一般管道流動Re＜2000為層流狀態，Re＞4000為紊流狀態，Re＝2000～4000為過渡狀態。

2電冰箱概述及數值仿真基礎11

箱內空氣的自然對流（b所示）箱內流動狀態判斷瑞利準則當邊界層處于層流當邊界層處于過渡區當邊界層處于紊流Gr——格拉曉夫數；Pr——普蘭特爾數；

2電冰箱概述及數值仿真基礎12冰箱保溫性能量度傳熱系數在穩定傳熱條件下，圍護結構兩側空氣溫差為1度，1小時內通過1平方米面積傳遞的熱量，單位是瓦/平方米·度。熱通量單位時間內單位界面積傳遞的量稱為通量,若傳遞的是熱量稱為熱通量；若傳遞的是質量則稱為物料通量。導熱系數在穩定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度，在1小時內，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米?度。K＝q/ΔT

導熱系數是描述物質物性的物理量，與材料的組成結構、密度、含水率、溫度等因素有關傳熱系數不是描述物質物性的物理量，它會隨著不同的外界條件而發生變化，例如溫度、流速、流量等

2電冰箱概述及數值仿真基礎13冰箱熱分析理論基礎在ANSYSWorkebench當中利用模型幾何參數，材料熱物理性能參數以及施加的邊界條件，生成上面的求解矩陣。2電冰箱概述及數值仿真基礎熱力學第一定律14冰箱流體分析理論基礎CFD計算方法有限差分法（本文選擇）有限容積法有限元法有限分析法CFD求解過程2電冰箱概述及數值仿真基礎15邊界層理論邊界層的發展邊界層的結構邊界層的厚度以長度x為定性長度的雷諾數；2電冰箱概述及數值仿真基礎16湍流模擬方法及模型湍流模擬方法直接模擬大渦模擬雷諾時均方程（本文）湍流模型零方程模型，一方程模型，兩方程模型，雷諾應力輸運方程模型(RSM)，代數應力模型(ASM)模型K指單位質量流量的湍流脈動動能是指脈動動能的耗散率，通過引入可以把湍流粘性系數與K聯系起來2電冰箱概述及數值仿真基礎17緒論一電冰箱概述及數值仿真基礎

二冰箱箱內溫度場及流場數值仿真

三冰箱保溫層隔熱特性研究和改進設計四溫度測試實驗系統及計算結果對比

五總結與展望

六論文結構框架18計算模型物理模型保溫層等效簡化冷藏蒸發器的等效忽略門封等附件模型假設（1）在穩態工況下分析計算研究對象的溫度場和流場分布，因此所有微分方程中忽略時間項的影響；（2）計算時通過實驗獲取各壁面溫度，因此邊界條件為第一類邊界條件；（3）忽略冰箱箱體內相變過程，認為冰箱箱體內的空氣是干空氣且為牛頓流體，定壓比熱容為定值；（4）箱體內空氣在固體內壁面上滿足無滑移邊界條件；（5）冰箱穩定狀態下，冷藏蒸發器所在后壁面溫度恒定；忽略輻射換熱；（6）門封的影響在壁面導熱系數中加以考慮；（7）滿足Boussinesq假設，即：流體中的粘性耗散忽略不計；除密度外，其它物性為常數；對密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余各項中的密度作為常數處理。3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真19控制方程3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真20邊界條件流動邊界條件根據模型假設，取無滑移邊界條件，即所有固體表面上流體的速度等于固體表面的速度，即就是：u=v=w=0。熱邊界條件分析采用整體解法，給定了冰箱外壁所處的環境溫度以及與環境的對流換熱系數，即第三類邊界條件，溫度值通過實驗來測得，對流換熱系數根據經驗值確定，還有就是冷藏室后壁和冷凍蒸發器的溫度，屬于第一類邊界條件，是由溫度測試實驗獲得特征點的溫度值后求面積平均獲得?？刂品匠碳由狭肆鲃舆吔鐥l件和熱邊界條件構成了對箱體內空氣流動和傳熱的完整的數學描述。后面為了研究不同因素對箱內溫度場及流場的影響，對熱邊界條件也進行了變化3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真21網格劃分邊界層厚度估算為邊界層厚度第一個節點與固壁之間的距離

3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真22網格劃分結果（a）（b）（c）（d）（e）3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真23冰箱溫度場與流場分析過程數值模擬整體思路整體解法將箱體導熱、箱體外壁與環境對流換熱、內壁與箱內空氣對流換熱、箱內空氣的自然對流以及門封的漏熱整體考慮，建立包含固體與流體的耦合物理模型。分析流程3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真24分析主要設置3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真25分析主要結果3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真26網格無關性分析微分方程轉化為離散代數方程時，網格的疏密直接影響到離散誤差。對于同樣的離散格式網格越密，離散誤差就越小，因而獲得數值解的網格應該足夠的細密3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真27冰箱溫度場數值模擬結果分析（1）環境溫度（2）箱內濕度（3）冷藏蒸發器溫度（4）擱架與后壁的間距（5）擱架與門的間距（6）擱架導熱系數（7）保溫層導熱系數（1-1）（1-2）3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真28（2-1）（2-2）（3-1）（3-2）（4-1）（4-2）3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真29（5-1）（5-2）（6-1）（6-2）（7-1）（7-2）3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真30冷藏箱內溫度分布影響因素分析不同因素對箱內溫差的影響不同因素對箱內溫度的影響3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真31結論：（1）要使冷藏箱內溫度場分布相對均勻，需要控制冰箱內部結構的幾個參數，擱架與后壁的距離應控制在25mm左右，擱架與門的間距應控制在5mm左右，上下浮動范圍為5mm。（2）冷藏箱內溫度與冷藏蒸發器溫度成正比，箱內總體溫差與冷藏蒸發器溫度成反比，因此，需要控制冷藏蒸發溫度在合理的范圍內，太低或者太高都是不合理的，滿足總體溫度范圍的最高蒸發溫度是理想的蒸發器溫度。（3）箱內溫度和總體溫差與保溫層導熱系數成正比關系，并且影響都比較明顯，保溫層導熱系數越小越好。（4）環境溫度對于箱內溫度和總體溫差影響很大，雖然不好控制環境溫度，但是應該盡可能的使冰箱處于溫度稍低的通風干燥處。（5）擱架導熱系數和箱內濕度對于冰箱內的溫度分布影響很小，如果不是精確要求，一般情況可以不予考慮，但是箱內濕度應該越大越好，這樣可以降低箱內食物的水分損失，對食物的保鮮有著積極作用。3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真32冷藏箱內溫控器溫度調節分析

溫控器的溫度調節，單單依靠設定溫度值是不合理的，應該將溫度值和該溫度在溫度曲線中對應的斜率相結合來設定，通過分析發現，當改點溫度斜率達到-0.09時設定為溫控點比較合理。這樣不僅可以使得壓縮機工作在制冷效率較高的區間，而且減少了壓縮機的工作時間，達到節能的目的3冰箱箱內溫度場及流場數值仿真33緒論一電冰箱概述及數值仿真基礎

二冰箱箱內溫度場及流場數值仿真

三冰箱保溫層隔熱特性研究四溫度測試實驗系統及計算結果對比

五總結與展望

六論文結構框架34傳統保溫層傳熱特性分析模型建立模型尺寸為575*725*W（mm），這里W是模型的厚度，為了研究保溫層厚度對于傳熱性能的影響，取通常保溫層厚度上下40mm范圍來研究。厚度分別是50、65、80、90、100、110(mm)。

4冰箱保溫層隔熱特性研究35邊界條件設置分析云圖50mm熱通量云圖65mm熱通量云圖80mm熱通量云圖50mm熱通量云圖4冰箱保溫層隔熱特性研究36100mm溫度場云圖50mm溫度場云圖100mm熱通量云圖110mm熱通量云圖90mm熱通量云圖4冰箱保溫層隔熱特性研究37結果后處理工程上規定保溫性能用傳熱系數K值來衡量，將云圖數據導出可以建立如下表格，并根據公式：K＝q/ΔT計算等效傳熱系數4冰箱保溫層隔熱特性研究38等效傳熱系數隨著保溫層厚度增加而減小。呈現指數衰減曲線規律，通過MATLAB擬合為。隨著厚度增加保溫層等效傳熱系數減小速率減慢。在一定的邊界條件下，保溫層厚度存在一個比較合理的范圍，厚度太小時保溫性能差，厚度太大時保溫性能提高比較小，而且浪費材料。在一般情況和邊界條件下，85mm厚度左右的保溫層為經濟合理的厚度。4冰箱保溫層隔熱特性研究39新型保溫層設計新型絕熱層結構模型結構組成4冰箱保溫層隔熱特性研究40原理說明（1）避免固體熱傳導和延長熱傳導的路徑。（2）減少空氣熱對流交換。（3）降低輻射換熱。關鍵技術（1）面板內空間表面處理（2）面板、支柱材料的選擇（3）支柱的合理布置（4）密封固定4冰箱保溫層隔熱特性研究41新型絕熱層結構分析網格劃分邊界條件確定絕熱層內外表面溫度值的確定結構分析邊界條件確定外面溫度值云圖里面溫度值云圖力邊界條件加載4冰箱保溫層隔熱特性研究

結果云圖（最大變形1.7mm，最小安全系數1.27）42總體應力云圖支柱與密封條應力云圖安全系數云圖熱通量云圖總體變形云圖支柱與密封條變形云圖4冰箱保溫層隔熱特性研究43新型絕熱層與真空絕熱板對比分析真空絕熱板傳熱分析

模型尺寸為575*725*W（mm），這里W是模型的厚度，取常見的厚度分別是10、15、20、25、30、35。單位為mm。分析邊界4冰箱保溫層隔熱特性研究44結果云圖（10、15、20、25、30、35mm）4冰箱保溫層隔熱特性研究45結果分析新型絕熱層傳熱分析模型（與結構分析相同）邊界條件4冰箱保溫層隔熱特性研究46結果分析在AnsysWorkbench中導出面上節點的熱通量值并求平均值得到外面上平均熱通量值為10.932真空絕熱板與新型絕熱層保溫性能對比

結構原理上看，真空絕熱板芯材是多孔材料，雖然熱導率很低，但是畢竟是固體導熱，固體導熱路徑比較短；而新設計的絕熱層盡量避免固體導熱并延長導熱路徑，只用比較少的熱導率較低的支柱來支撐面板，同時新型絕熱層為了減少熱輻射，面板內表面進行了處理，采用發射率很低的鋁涂層。4冰箱保溫層隔熱特性研究47新型保溫層與傳統保溫層對比分析模型網格劃分邊界條件4冰箱保溫層隔熱特性研究48結果分析在AnsysWorkebench的熱通量云圖中導出節點熱通量值，并求平均值得面上平均熱通量為12.81

4冰箱保溫層隔熱特性研究49傳統保溫層與新型絕熱層保溫性能對比40mm新型保溫層與傳統保溫層80mm下的等效傳熱系數相差無幾

4冰箱保溫層隔熱特性研究50緒論一電冰箱概述及數值仿真基礎

二冰箱箱內溫度場及流場數值仿真

三冰箱保溫層隔熱特性研究和改進設計

四溫度測試實驗系統及計算結果對比

五總結與展望

六論文結構框架51實驗系統實驗原理方案冰箱溫度測試是冰箱型式試驗的核心內容，同時測量結果也是仿真分析的基本試驗系統主要由采用自制的數據采集/開關單元和溫敏電阻、電度表、采集卡電源、PC機等連接組成系統

5溫度測試實驗系統及計算結果對比52測點布置3號測點位于冷藏箱頂部中心；26號測點位于冷藏箱頂部外側27號測點位于冷藏箱底部中心；28號測點位于冷藏箱頂部外側；29號測點位于冰箱外壁面；30號測點位于冷凍箱體頂面與頂層蒸發器空間中心位置，31號測點位于第一與第二層蒸發器空間中心位置；32號測點位于冷凍二三層蒸發器空間中心位置

5溫度測試實驗系統及計算結果對比53實驗內容將測點布置固定好后，然后插上冰箱電源以及采集卡與PC機電源，進行實時溫度測量，數據采集程序每秒采集一次數據，根據實驗數據，進行了24小時的溫度在線記錄，并將測試數據保存到計算機。實驗過程的主要圖片見下圖所示調整好實驗室的空調溫度為30℃，待實驗室溫度達到30℃時開始進行實驗，調節冷藏箱內的溫控器到2.5檔5溫度測試實驗系統及計算結果對比54實驗結果曲線5溫度測試實驗系統及計算結果對比55實驗值與計算值對比及誤差分析最大絕對誤差為2.3℃，最小絕對誤差為0.4℃，在工程允許的范圍內。5溫度測試實驗系統及計算結果對比56緒論一電冰箱概述及數值仿真基礎

二冰箱箱內溫度場及流場數值仿真

三冰箱保溫層隔熱特性研究和改進設計

四溫度測試實驗系統及計算結果對比

五總結與展望

六論文結構框架57（1）全面的研究了各個因素對于直冷冰箱箱內溫度分布的影響，提出了改進溫度分布的各項措施，并發現保溫層導熱系數的微小變化對于箱內溫度的均勻分布比較敏感，當保溫層導熱系數小于0.03時，保溫層導熱系數每增加0.01，溫差值就上升1.7℃左右；當保溫層導熱系數大于0.03時，保溫層導熱系數每增加0.01，溫差值就上升0.3℃左右。因此提高保溫層隔熱性能，可以改善箱內溫度分布，這些為冰箱進一步優化設計提供了理論參考。（2）對箱內溫度場隨時間的變化進行了分析，發現箱內溫度變化服從指數衰減規律，提出了溫控器溫度調節的較優策略，即將溫度值和該溫度在溫度曲線中對應的斜率相結合來設定溫控點，當改點溫度斜率達到-0.09時設定為溫控點比較合理。這不僅為溫控器的控制設計提供了重要依據，更重要的是減少了壓縮機的工作時間，達到了節能的目的。（3）在普通使用環境下，研究了傳統保溫層厚度與等效傳熱系數之間的關系，提出了傳統保溫層經濟合理的厚度為85mm左右的結論。提出了一種新型絕熱層結構，對其進行了傳熱和結構應力分析，發現結構最小安全系數為1.27，最大變形為1.7mm，完全滿足工程需要。通過與真空絕熱板進行傳熱分析對比，發現其隔熱性能比真空絕熱板稍好些，成本卻低的多；并將新型絕熱層應用到發泡層當中構成新保溫層型式，通過與現有傳統保溫層對比，發現同等隔熱效果下厚度是傳統保溫層的一半還小。（4）搭建了溫度測試實驗系統，對空間特定點和內外壁面溫度進行了測量，適時采集了實驗數據，并對實驗數據進行后處理，總結了測溫點隨時間的變化規律，為數值模擬提供了邊界條件，并驗證數值計算模型的正確性。6結論展望58展望（1）對數值計算模型的進一步研究。數值計算模型的可靠度決定了數值模擬結果的準確度，本論文根據研究側重點和計算機硬件水平，對模型進行了適當的簡化，這勢必帶來數值計算結果與真實情況的出入。因此，需要對計算模型的進一步優化，從而提高計算精度，更加準