基于CFD分析的集装箱制冷机出风口间距优化

基于 CFD分析的集装箱制冷机出风口间距优化

汤雁翔 1 黄德香 2

1. 珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070）

（2.中铁十五局集团四川建筑勘察设计有限公司，四川 宜宾 644500）

摘 要: 本文基于CFD分析结果对某型号集装箱制冷机冷凝侧出风口与舱室壁面间距进行优化。以制冷机内流场计算结果作为外流场边界条件，进行不同间距工况的计算，计算结果表明，当间距L值较小时，出风口更易产生流回，导致制冷机吸入温度较高的空气，从而不利于制冷效果，合理的冷凝侧出风口与壁面间距L最小值为1.3m。

关键词: 计算流体动力学 制冷机 间距 外流场

CFD-based Optimization to the Spacing between the Condenser Air Outlet and the Container Wall for the Container Cooling Device

Tang Yanxiang¹ Huang Dexiang²

（1.Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai China, 519070）

(2.China Railway 15^th Bureau Group Sichuan Archiectural Investigation&Design CO.LTD, Yibin China, 644500)

Abstract: The paper aims to optimize the spacing between the condenser air outlet and the container wall for the container cooling device. The computed results of the interior flow field are taken as the boundary conditions for computation of the exterior flow field under different spacing. The computation shows when the spacing (L) is quite small, vortex of back air flow would be more likely to arise, which would lead to higher temperature air being received by the container cooling device and then generate poor cooling effect. The computation finally shows that the optimized minimum spacing is considered to be 1.3L.

Keywords: CFD ;Cooling Device; Spacing; Exterior Flow Field

1 引言

据客户反馈某型号集装箱制冷机在舱室内安装后制冷效果不佳，调研发现，由于舱室空间有限，部分制冷机冷凝侧出风口与舱壁面间距L仅0.5m，制冷效果较差；而其他间距L为2.0m的机组制冷效果较好。分析故障原因可能是由于间距过小导致出风口热风回流造成的，采用CFD分析的方法进行验证与优化。

计算流体动力学（CFD）已成为除实验外研究气流分析的主要手段^[1]，在汽车^[2]、飞机座舱^[3]、空调^[4]等领域研究中被大量运用。

本文采用CFD软件对舱室内某型号集装箱制冷机进行流场分析，计算得到回风面、出风面上的压力、速度分布，以该分布作为边界条件，分析了制冷机冷凝侧出风口与壁面间距L不同数值下的外流场，得到了合理的间距大小。

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作者简介：汤雁翔，男，1986年10月生，工程师，主要从事CAE、CFD分析；

通信地址：广东省珠海市香洲区前山金鸡路789号格力电器商技一部

电话：（0756）8973649

邮箱：tyx3721@163.com

2 CFD建模

2.1 制冷机内流场

简化某型号集装箱制冷机复杂三维模型的冷凝器风道。采用对复杂模型适应性较强的非结构网格进行网格划分，网格单元共计2956804个。风道简化结构及网格如图1所示。

图1 制冷机冷凝侧风道简化结构及网格

集装箱制冷机风叶转速1500rpm，CFD计算稳定后所得风量为3600m³/s，相对于实验值3800m³/s偏差5.26%，数据在允许误差范围内。提取回风/出风面压力及速度分布文件。

2.2 制冷机外流场

参照实际舱室建立一个25m×9.36m×4.6m的

简化大空间，冷凝侧出风口与壁面间距L为0.5m，出风口为圆形、回风口为“L”形。创建非结构网格，网格单元共计4309570个。制冷机外部舱室结构及网格如图2所示。

图2 制冷机外部舱室结构及网格示意图

3 CFD分析结果

计算制冷机外部舱室流场，选择如图3所示的典型位置结和面进行结果分析：（1）线LINE：X=-0.7335m，Y=0.218m；（2）截面FACE：Y=0.218m，经过出风口圆心的水平截面。

图3 CFD分析典型位置（LINE/FACE）

3.1 舱室截面FACE速度分布

分别将制冷机冷凝侧出风口与舱室壁面间距L值设置为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、5.0m，进行五种工况下制冷机外部舱室流场的数值计算，沿舱室截面FACE速度分布云图如图4所示。

图4 截面FACE速度分布云图

分析图4中制冷机外部舱室流场速度分布：

（1）所有工况下，制冷机冷凝侧气流速度随着流动空间的突然扩增而急速减小，气流速度等高线非常紧凑；

（2）L=0.5m时，制冷机外部舱室流场出风气流流出到达舱室壁面附近，气流速度0~0.5m/s的空间范围极小，整个舱室流场气流速度等高线十分紧凑；

（3）L=1.0m时，在舱室壁面附近气流速度为0~0.5m/s的空间范围约0.1m，整个舱室流场气流速度等高线比较稀疏；

（4）L=1.5m、L=2.0m、L=5.0m三个工况下气流速度分布比较相近，在舱室壁面附近气流速度为0~0.5m/s的空间范围均超过0.5m，整个舱室流场气流速度等高线稀疏。

舱室壁面附近速度等高线紧凑，说明制冷机出风到达壁面时速度较大，气流受阻后速度急速下降，气流与舱室壁面间的作用较强，产生较强的回流，根据气流自由流动以最小阻力路径为原则，制冷机的高温出风更易流回制冷机从而削弱制冷效果。综上分析确定L最小值应在1.5m附近。

3.2 沿线LINE速度分布

为更详细对比不同冷凝侧出风口与壁面间距L值下的工况，接下来在1.5m附近每隔0.1m取L值进行CFD计算。

不同间距L值工况下，沿线LINE的速度分布

变化曲线图如图5所示。

图5 速度沿线LINE的分布

分析图5中制冷机外部舱室流场速度分布：

（1）所有工况下，曲线始末两端均急速下降，这是在集装箱冷凝侧和外部舱室壁面两处气流速度的突变，曲线中段均有一段平缓下降，这是气流流出冷风机且未到达舱室壁面期间的速度逐渐减缓的过程，到达距离外空间壁面约0.1m处出现拐点，之后快速下降到零值。

（2）L值大于1.3m的工况下，曲线变化规律一致，首先在制冷机出风口附近突降达到1.5m/s左右，之后平缓下降，到达曲线拐点处气流速度值较小，均低于0.5m/s，气流与舱室壁面之间相互作用较弱，从而避免空间内过强湍流的形成。

（3）L值低于1.3m工况下，曲线变化规律相近，前段气流速度波动较大，之后平缓下降，到达曲线拐点处气流速度值较大，均高于0.5m/s，气流与舱室壁面之间相互作用较强，从而在空间内形成较强的湍流。

综上分析，确定L最小值为1.3m，该结果与本机组工程安装后的验证一致。

4 结论

本文采用CFD方法，分析了某型号集装箱制冷机冷凝侧出风口与外部舱室壁面不同间距L下的流场，结果表明当间距L小于1.3m时，由于舱室的影响，会导致冷凝器出风向回风口回流，而当间距L大于1.3时，回流较少。

根据实际工程安装，验证了CFD分析的结论，因此在此类机组安装时，为保证制冷效果，建议与舱室壁面的最小间距不低于1.3m。

参考文献

1. 赵琴. Fluent软件的技术特点及其在暖通空调领域的应用[J]. 计算机应用, 2003, 23: 424-425

2. 霍长宏, 刘江波, 俞燕. CFD分析和模拟技术在某轻卡风道设计中的应用[J]. 合肥工业大学学报, 2007, 30: 19-21

3. 王连江, 赵竞全. 飞机座舱温度场数值仿真研究[J].计算机仿真, 2008, 2539(5): 44-46

4. 刘利娜,邹建煌,马重夫,欧阳华. 空调器离心风机内流场的PIV试验与CFD仿真对比分析[J].流体机械, 2011, 39(7): 60-64