摘要：冰箱是人们日常生活中一种十分常见的家用电器，它可以起到保鲜与冷藏食物的作用，在人们的日常生活中扮演着十分重要的角色。随着经济与社会的不断发展以及人们物质生活水平的不断提高，冰箱的结构也需要进一步的优化与改良。这样一来，冰箱才可以满足人们日常生活的基本需求。本文将针对CFD在冰箱结构优化中的应用进行详细的分析与探讨，期望可以不断的促进我国冰箱事业的蓬勃发展。
关键词：CFD；冰箱结构；风道；门体；冰盘；应用
当下，随着经济与社会的不断发展以及人们物质生活水平的不断提升,人们对冰箱的使用已经远远的超出与冷藏与保鲜，更关注的是冰箱的使用性能及每日耗电。而作为冰箱生产企业要想满足人们这一基本要求，就必须要对冰箱的结构进行不断在改良与优化，进而满足用户不断升级的需求。
一、CFD概述
CFD（计算流体动力学）作为CAE的重要分支，是通过数值方法来描述流体的运动状态的。主要包含流动、传热、化学反应以及流体和固体之间的相互作用等。CFD描述的是质量传输、动量传输和能量传输三种过程，并遵守动量守恒定律、能量守恒定律以及质量守恒定律。CFD将连续的计算域分散成为不同的子区域，通过利用计算机技术在不同的子区域上对控制方程组进行数值的分析与求解，进而分析出整个计算域内流体的流动、传热及传质。换言之，CFD其实就是一种虚拟的技术，它借助计算机技术进行实验与分析，最后形成真实的流动体质。近些年来，CFD技术已经在各行业领域中得到了广泛的应用。
二、冰箱结构优化现状分析
（1）冰箱保温层设计过厚不仅会影响产品的使用容积，还会导致产品材料使用冗余，成本上升；而保温层设计过薄也会影响产品保温性能，进而会导致冰箱的耗能增加。（2）冰箱使用不同保温性能的保温层材料对于冰箱的保温节能等级也是不尽相同的。（3）冰箱内部风道结构的不合理设计也会影响冰箱的耗能和温度均匀性。（4）内置式热换器的不合理设计会导致冰箱的耗能持续增加。（5）不合理的冰箱门体结构设计会导致冰箱在使用过程中门体出现弯曲变形，使得冰箱门封无法正常贴紧箱体而出现漏冷，进而使得冰箱耗能持续上升和保温性能持续变差。（6）冰箱在结构的设计方面依然存在着诸多的不合理之处，比如：收纳不足、维修麻烦、不宜搬动等导致冰箱的使用性能及质量逐渐变差和下降。目前，在我国很大一部分冰箱企业在解决以上问题时依然沿用传统的设计方法，不仅耗时还特别费力。大量实践证明：CFD在冰箱结构优化中的应用，不仅可以改善冰箱的性能，还节省了大量的人力与物力资源。
三、CFD在冰箱结构优化中的应用
1.CFD在冰箱风道结构设计中的应用
风道是风冷冰箱的核心零部件，在冰箱的制冷效率以及冷量分布均匀性上发挥着至关重要的作用。冰箱内各个区域冷量分布的均匀性与风口的大小、形状之间都具有密切关系。本论文以260L两门风冷冰箱为例说明CFD在风道结构优化设计中的应用。
（1）通过CFD分析冷冻室风速对风道结构优化设计研究
蒸发器及风道位于冷冻室内后背部分，在产品正常工作状态下，冷气通过各个风口从蒸发器端流动到冷冻室内，由于受到风口位置，内部抽屉及使用负载的影响，风循环路径对冷冻室风速流动均匀性影响比较大。通过对风道内部结构、风口位置及大小的优化调整设计，再对冷冻室风速流动均匀性进行CFD分析研究，冷冻室中心截面（图1）的风速运动流场进行CFD计算分析，分析结果（图2）表面：冷冻室顶部无涡流现象，抽屉正面风速顶层0.6m/s,中间两层0.5~1.0m/s,底层0.7~0.8m/s 。
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图1 图2
对冷冻室正面截面（图3）的风速运动流场进行CFD计算分析，分析结果（图4）表面：冷冻室顶部无涡流现象，抽屉正面风速顶层0.6~0.9m/s,中间两层0.8~1.2m/s,底层0.6~1.0m/s 。
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图3 图4
（2）通过CFD分析风量分配比例来优化各区域风口设计，对于产品来说，每个产品开机工作时总的风量都是一定的，而冷藏室与冷冻室由于容积和温度要求不一样，对于冷量的需求也不一样，冷藏室与冷冻的冷量合理分配对于产品温度性能可靠非常重要。同时，冰箱产品从高度上来说由于空间位置不一样，各个间室也需要设计不同的位置和尺寸的风口来确保冰箱开机工作期间温度的均匀稳定性。对风道内部结构、风口位置及大小的优化调整设计，对冷藏冷冻风道进行CFD计算分析，冷藏风道选择风口截面（图6）进行计算分析，冷冻风道分别选择冷冻风机截面（图7）、冷冻风口截面（图8）进行仿真模拟分析计算，风道流场分析结果表面：风量分配占比冷藏风道风量占20.6%，冷冻风道风量占79.4%；冷藏上中下三层风口风量分别占66.0%、26.6%和7.4%；冷冻室左右风口风量占比分别为48.2%和52.8%；且内部流场较为理想，无明显涡流区域，出风口风速分布较均匀，无大幅度偏向问题。
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图5（冷藏风道） 图6（冷藏截面流场） 图8（冷冻第一层风口截面）
2.CFD在门边加强铁结构防变形设计中的应用
冰箱的门与箱体是通过门封磁吸贴合，在冰箱正常工作情况下，冰箱门体内部与冰箱内温度一样，属于低温区域；而冰箱门体外部与环境温度一样，属于高温区。这样的使用环境条件决定了冰箱门体一直是出于内部低温外部高温的状态，如果在某种恶劣环境情况下容易发生门体弯曲变形，当弯曲变形发展到一定程度时，会使得冰箱门封与箱体离开，导致外部的热空气不断的进入冰箱内部，这样会产生比较多的问题：如，耗电增加、冰箱温度无法达到要求、热空气进入导致冰箱内霜层增多等等。为了解决以上问题的出现，就需要在门体周边增加合理的加强铁设计来改善门体变形。此以360L玻璃门冷藏门产品加强铁设计为例来说明CFD在门体加强铁结构优化设计中的应用。三种门体主体结构是完全一样的：ABS注塑门边框、钢化镜面玻璃外壳、HIPS吸塑内胆、加强铁厚度也一样，不一样的是三种门内部加强铁结构，如下图9、10、11示意。
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图9（方案一） 图10（方案二） 图11（方案三）
对三种门体进行CFD模拟仿真分析，具体情况如下：
（1）对于方案一的分析情况如下图12、13：门体整体变形最大为6.06mm，位置处于门胆中心;Y弯曲变形最大为6.06mm,其中边框变形情况：左侧最大变形2.43mm，右侧最大变形2.37mm 。
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图12（整体位移方向） 图13（Y向变形）
（2）对于方案二的分析情况如下图14、15：门体整体变形最大为8.36mm，
位置处于门胆中心;Y弯曲变形最大为8.36mm,其中边框变形情况：左侧最大变形5.20mm，右侧最大变形5.11mm 。
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图14（整体位移方向） 图15（Y向变形）
（3）对于方案三的分析情况如下图16、17：门体整体变形最大为11.91mm，位置处于门胆中心;Y弯曲变形最大为11.90mm,其中边框变形情况：左侧最大变形5.30mm，右侧最大变形5.20mm 。
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图16（整体位移方向） 图17（Y向变形）
（4）通过对以上不同设计方案进行CFD仿真分析，不同结构的加强铁支撑作用下，第一种方案变形最小，可以作为优选的设计方案进行应用。
3.CFD在冰箱自动制冰机冰盘结构优化设计方面的应用
冰盘是冰箱自动制冰机产品里非常重要的零件，它能否正常扭动脱落冰块决定了产品的自动制冰功能能否正常运转？在设计过程中需要考虑的问题是冰块冻结好以后，冰块在冰盘的扭动变形过程中从冰盘内脱落下来的能力，如果在冰盘扭动过程中，冰块无法自动脱落，由于有残余冰块了，这样会导致下个制冰周期内冰块变大，冰块变大后使得冰盘在扭动脱落过程中更加困难，这样就很容易导致自动制冰功能失效。冰盘材料设计的过厚，会使得冰盘变形变得困难；冰盘设计的过薄，也会使得冰盘在扭曲中容易开裂失效；冰盘扭动角度设计过大，容易是冰块扭曲厚环抱在一起，不容易脱落；冰块扭动角度设计过小，容易导致冰块还没有脱落，就又恢复平衡了，导致无法脱落冰块。针对以上种种困难表现了自动制冰机产品对于冰盘结构及其运动方向的设计要求极高，需要通过大量的方案设计后进行CFD仿真分析比较进行优化选择。从如下图18冰盘的变形分析中可以看出：冰盘内各个冰格的变形差异还是存在的，这就需要在实际使用进行实际的测试验证，理论分析只是提供了设计思路和方向，但是还不能直接取代测试验证结果。
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图18（冰盘扭曲分析）
4.CFD在冰箱内置式热换器中的应用
内置式热换器作为冰箱向外界放热的一个重要的装置，在冰箱结构的优化中发挥中十分重要的作用。其中的钢丝管冷凝器在当下冰箱生产企业中是较为常见的。但由于这种冷凝管美观性较差的原因，不仅会给冰箱的整体结构造成破坏，同时还会吸附大量的灰尘，而长期的灰尘堆积就会使得冰箱的热阻变大，进而降低冷凝器的换热能力。正因为内置式热换器存在着诸多的缺点，所以，现在越来越多的冰箱生产企业开始将CFD运用到了冰箱的内置式热换器中。与此同时，我国也有很多的学者专门建立了对内置式热换器仿真模型的研究，并对其传热性进行了深入的分析与研究。研究结果显示，与实验相比较而言：CFD内置式热换器的计算值已经超出了10%。之所以会出现这样的误差，主要还是由于在研究的过程中没有充分的考虑到内置式热换器通过发泡层产生的热量。甚至还有的学者也针对内藏式蒸发器与内置式热换器进行了对比研究，并比较了内藏式蒸发器的经济性与可靠性，从而进一步的证明了CFD在冰箱内置式热换器中的应用价值。
四、展望
本文系统的分析了CFD在冰箱结构中的应用，但是由于没有各类准确参数为依据，加之也对实际的研究对象进行了进一步的简化，如果实际的计算值与实验计算值之间存在一定的差距也是在所难免的。CFD在冰箱结构优化中的应用最大优势在于能够改变冰箱的使用性能，提高设计效率，为理论设计提供指导方向和依据。其实，冰箱结构优化的因素是非常之多的，由于篇幅有限，本文仅对其中的对一部分进行了研究与分析，比如冰箱内蒸发器的分布、内流畅的温度等等在冰箱结构的优化中同样也是不容忽视的。但是，截止到目前为止，对这方面进行研究的企业及人员还是屈指可数的，这也是当下专业技术人员必须应当努力的方向。
五、结语
综上所述，CFD在保鲜与冷藏装备中的应用已经具备了一定的优势。而随着计算机技术的普及与发展，CFD在冰箱结构优化中的作用将会更加的明显，CFD在很多的冰箱企业中得到了应用，并得到了发展。可以预见，在不久的将来，CFD也会在其他各行业领域中得到广泛的应用。
参考文献：
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