冷风机流场仿真及导流圈高度优化分析

卫广穹

【摘要】 本文应用数值仿真方法对某型号冷风机空气侧气流组织进行仿真计算，对不同导流圈高度下的流场进行对比分析。结果表明，翅片迎面风速和风量大小随导流圈高度均呈先上升后下降的变化趋势，导流圈高度为35mm时具有最大风速和风量值；翅片迎风面的速度在竖直方向上是上下对称分布的，在10%--90%的中间区域内，速度比较平稳，这种分布有利于冷媒分路；从翅片迎风面的风速分布看，导流圈高度为30mm时，速度分布的均匀性最好；综合考虑翅片迎风面速度大小和速度分布的均匀性，30mm—35mm为最优的导流圈高度范围。

【关键词】 冷风机 导流圈高度 数值仿真

0 引言

随着国民生活水平的提高，人们对食品新鲜度和高品质的要求越来越高。为适应居民消费的这种需求，我国目前正在大力发展农产品冷链物流建设，冷冻冷藏产品可以为农产品运输和保存提供适宜的储存温度，广泛用于水果、蔬菜、食品等农业、水产业、畜牧业等产品的低温储存，同时也可为大型超市乳品冷却、食品加工、生物制药、化工冶金、电子等低温货物的保存提供冷源。

冷风机作为冷库的末端换热器，其换热能力直接影响着整个机组的运行性能。而冷风机的结构布置会影响到风速分布情况，进而影响冷风机换热性能。在冷风机的众多结构参数中，其中一个重要结构参数是导流圈高度，一般按照前期设计经验进行选取，未从换热性能方面研究优化过导流圈高度参数。本文对冷风机流场进行仿真计算，综合考虑翅片迎风面速度大小和速度分布的均匀性，得出最优的导流圈高度。

1 模型处理及设定

1. 1. 物理模型

本文仿真对象为整个冷风机的流道，如图1.1所示，沿着气体的流向，空气先经过翅片换热器，然后经过风机、导流圈和出风格栅后排出冷风机，送入冷库内。三个风机通道是独立的，所以模型简化为一个风机通道来进行研究，节省时间和计算机资源。仿真研究的冷风机尺寸参数为：冷风机宽度812mm，高度693mm，厚度460mm，翅片换热器为4排，22*22正排形式，翅片厚度0.105mm，片距4mm，翅片类型为波纹片，换热管直径9.52mm，风机转速1320r/min，风机直径446mm。

图1.1 本文仿真的冷风机物理模型

1. 2. 数学模型

1.2.1基本假设

1. 空气为不可压缩流体，物性为常数；

2. 计算域中流态为稳态紊流；

3. 翅片换热器处理为多孔介质模型^[1]；

4. 空气流动动力只来源于风机转动，忽略换热器周围其他附件对空气流动的影响^[2]。

1.2.2 质量守恒方程

(1)

其中u、v、w为气体在x、y、z等三个方向上的速度，单位m/s。

1.2.3 动量守恒方程

(2)

式（2）为x方向的动量方程，y和z方向方程类似。其中ρ为空气密度，单位kg/m³。p为空气压力，单位为Pa。μ为动力粘度，单位为Pa·s。S_u是动量守恒方程的广义源项，S_u=F_x=0，体力只考虑重力，z轴为重力方向，竖直向上。

1.2.3 湍流模型

采用标准k-ε两方程湍流模型，k-ε两方程湍流模型是对瞬态N-S方程做时间平均处理，同时补充湍动能方程和湍流耗散率方程。

1.2.4 翅片换热器模型

_{翅片式换热器翅片间距很小，而换热器整体尺寸又很大，采用真实流体区域进行计算，计算量会非常大，甚至很难计算出结果}。本文将翅片管换热器部分简化为多孔介质模型，用等效的阻力来替代。多孔介质模型函数为：

(3)

其中α为渗透性系数；C₂为惯性阻力系数，S_i为第i个（x、y或z方向）动量方程中的源项。

通过测定不同迎面风速下，经过换热器的压力降，拟合二次多项式后可确定渗透性系数和惯性阻力系数^[3]。本文采用换热管直径9.52mm，翅片间距4mm，4排，排列形式为正排的翅片管换热器，经测定的压力降与风速的关系拟合计算后得出，惯性阻力系数为C2=356，渗透性系数α=1.42E+07。

1.2.5 边界条件

1）所有壁面采用无滑移的绝热边界条件，近壁面采用标准壁面函数，即u=v=w=0;

2）入口边界条件设定压力进口（全压为0），出口设定为压力出口（静压为0），风机转速设定为1320r/min。

2 仿真结果

按照前期设计经验，冷风机出口的导流圈高度一般在20-50mm之间选取，所以本文在20--50mm之间取7个点进行仿真计算和对比，即导流圈分别是20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm等。从翅片迎风面速度大小和速度分布的均匀性两方面来评判最优的导流圈高度。

2.1 冷风机风场分布情况

以导流圈高度为30mm的仿真结果来说明冷风机风场分布情况，图2.1为整个流通通道内的流线图，颜色代表速度大小，单位m/s，从整个流场的流线图看出，整个流场不存在明显的流动死角。整个流场是由风机提供的动力，风机附近速度集中在10-21m/s，翅片附近速度集中在1.5-3.5m/s。

图2.1 整个流通通道内的流线图

图2.2 翅片迎风面速度分布云图

图2.2为翅片迎风面风速分布图，容易看出，翅片迎风面风速呈上下对称和左右对称分布，这是由冷风机结构的对称性决定的。靠近风机的中间区域风速较大，四周区域的风速较小。图2.3风机横截面速度分布云图，图2.4为冷风机出口速度分布云图，可以看出，冷风机出口和风机横截面的速度分布呈周期性分布，这与风叶的周期性分布是一致的。

图2.3风机横截面速度分布云图

图2.4冷风机出口速度分布云图

2.2 不同导流圈高度下仿真结果对比分析

图2.5为风量随导流圈高度的变化曲线，容易看出，在导流圈高度为35mm时，存在风量最大值，25mm时，风量最小，与最大值的差比为3%；所以导流圈高度35mm时为最优值，此时风量最大，冷风机的换热能力最佳。

图2.5 风量随导流圈高度的变化曲线

翅片迎风面水平中心线上速度分布 ，翅片迎风面速度在水平方向上是左右对称的，在30%--70%的中间区域内，速度比较平稳。

翅片迎风面竖直中心线上速度分布 ，翅片迎风面的速度在竖直方向上也是上下对称分布的，在10%--90%的中间区域内，速度比较平稳，这种分布有利于冷媒分路，在10%--90%区域的冷媒流路可不考虑风速的影响，而在10%以下和90%以上的区域的冷媒流路要长一些，或者此路的毛细管选长一些，使得各路冷媒出口状态是一致的。另，迎风面速度在竖直方向的平缓度也说明风机大小和翅片高度的匹配比较好。

导流圈高度为35mm时，翅片迎风面每一点的风速均为最大值，风速越大越有利于冷风机的换热，再次说明从风量角度考虑，35mm为最优的导流圈高度。

各导流圈高度下翅片迎风面速度 ，同样的颜色坐标轴下，各导流圈高度的速度分布几乎无差别，无法对比出其均匀度的优劣，需要量化分析；因为竖直方向上的速度均匀性直接影响着冷媒的分路，所以定义平均纵向速度偏差比=aver（ABS（纵向各点速度-纵向各点速度平均值））/aver(纵向各点速度)，以此度量各导流圈高度下的速度分布均匀性，偏差比越小，说明均匀性越好，平均纵向速度偏差比值随导流圈高度变化曲线，30mm时，速度分布的均匀性最好，35mm次之。

从风速大小方面分析，导流圈高度为35mm时，翅片迎面风速最大，35mm为最优的导流圈高度，30--40mm为可取的范围。从均匀度方面考虑，30mm为最优的导流圈高度，30---35mm为可取的范围。综合考虑以上两个方面，30--35mm为最优的范围，具体角度值可考虑结构布置的方便美观等其他因素进行选取。

3 结论

笔者采用真实风叶模型，应用数值仿真计算方法对某型号冷风机空气侧气流组织进行仿真计算，对不同导流圈高度下的流场进行对比分析，翅片迎面风速和风量大小随导流圈高度均呈先上升后下降的变化趋势，具有最大风速和风量值，综合考虑翅片迎风面速度大小和速度分布的均匀性，30mm—35mm为最优的导流圈高度范围。

参考文献:

1. 邓斌,李欣,陶文铨.多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用[J].工程热物理学报,2004(S1)：167-169.

2. Mao J N, Chen H X, Jia H, et al. Effect of air-side flow maldistribution on thermal–hydraulic performance of the multi-louvered fin and tube heat exchanger[J].International Journal of Thermal Sciences, 2013,73:46-57.

3. 吕如兵,刘亚丽,李嘉等.基于CFD 原理的V 形换热器流场分析[J].制冷与空调,2016(2):47-52.

*卫广穹（1985-），男，中级工程师，学士，研究方向：冷冻冷藏制冷机组设计，联系地址：珠海格力电器金鸡西路789号，邮编：519070.