为定制厨房电器量身定制的解决方案

安德森·波托莱托著
Sub-Zero Group Inc.高级产品组首席工程师麦迪逊,美国

高端厨房在其豪华的外观内设计了伪装电器，限制空气流通，并收集灰尘和污垢。耦合的CFD-DEM被用来调查污垢积聚。

如今的高端厨房里到处都是内置电器，与橱柜的无缝集成可能会带来与机器隔间内气流限制有关的技术挑战。冷凝器(热交换器)上的污垢积聚会加剧这个问题，这会影响设备的性能。

凝汽器污垢积累的实验评估既费时又昂贵。因此，Sub-Zero将计算流体动力学(CFD)和离散单元建模(DEM)耦合起来，以快速了解污垢积聚背后的机制，从而设计出更坚固的热交换器。

与台式组件级测试相比，整体污垢模拟可以节省高达10%的总开发成本，同时缩短了上市时间。

Sub-Zero早在四分之三世纪前就开始生产商用冷冻机，它重新设计了家用制冷设备，生产的设备寿命超过20年。家庭厨房曾经放着一个又大又笨重的电器，如今的豪华家庭则采用更小的定制模块，将冰箱放置在最合适的地方——从冰柜到制冰机，再到葡萄酒/饮料中心，应有尽有。

从工程的角度来看，伪装冰箱包裹在阻碍空气流动的橱柜中，对于一个旨在散热的部件来说是一个不幸的场景。再加上纤维(宠物毛，棉绒等)，灰尘和油脂堆积在难以接近的地方，你已经创造了一个理想的失败配方。

污秽的配方

Sub-Zero热交换器研究的第一步是弄清楚如何定义和表示相关的空气传播材料，统称为污物。当时，研究团队一直在使用CFD来模拟气流中的简单球形灰尘斑点，但需要包括非球形灰尘颗粒、高纵横比毛发和棉花等柔性纤维。这些都需要DEM软件，该软件可以提供精确的粒子物理，在合理的解决时间内预测行为。

该公司的工程师选择了Rocky DEM，因为它能够准确地模拟污垢配方，使用多个图形处理单元(gpu)加快计算速度，并与该公司的Ansys多物理模拟组合无缝集成。该团队最初使用Ansys CFD来模拟热交换器的流体流动，这影响了整体效率。DEM将提供关于颗粒沉积、作用在颗粒上的流体力(如阻力)和粘附力的信息，最终评估热交换器设计如何影响颗粒行为。

图1。实验结果表明，单向耦合足以获得准确的模拟结果，简化了分析。左:喷尘后气侧压降;右:粒子随时间的脱落

单向街?

最初，该团队认为模拟项目将需要双向耦合的CFD-DEM方法，以Ansys Workbench为主要平台。理论上，随着时间的推移，污垢的积累会影响热交换器周围的气流，导致污垢进一步积聚，最终影响效率。如果效率变化很大，则进行双向分析将能够模拟污物对流体流动的影响以及流体流动对污物沉积的影响。然而，正如物理实验所表明的那样，在这种情况下，污物对流体流动的影响很小，可以忽略不计。

物理风洞实验测试了颗粒(灰尘+ 5%棉绒纤维)注入热交换样品时的空气侧压降(图1)。该测试还研究了该组件在污垢积聚和随后颗粒脱落过程中传递热量的能力。结果显示压降和传热变化极小。对于颗粒沉积，一旦沉积达到某一特定值，气流就足以使颗粒脱落，停止进一步积聚。

图2。当空气流动无干扰时，颗粒的运动是平稳和不间断的(上)。在Fluent-Rocky模拟中运行湍流分散确保了自然发生的漩涡和涡流，它们随机出现和消退。

尽管实验既麻烦又昂贵，但它们有时可以提供有助于简化建模方法的见解，就像在这种情况下测试所做的那样。在不同的情况下，油腻或油性热交换器可能表现出更大的颗粒粘附，需要双向耦合，从而延长和复杂的分析过程。台架测试提供了进行单向CFD-DEM模拟所需的置信度。

物理思考的食物

工程团队利用Ansys Fluent-Rocky DEM解决方案的耦合能力来预测高纵横比棉绒纤维的粘附力，并使用Rocky的粘附力模型来模拟静电力。库仑力——由带有电荷的静止物体对其他带有电荷的静止物体施加的力——在粒子出现时开启

移动距离要比粘接距离近。建立了适用于颗粒-边界、颗粒-颗粒、纤维-纤维和纤维-粉尘接触的力。

图2。当空气流动无干扰时，颗粒的运动是平稳和不间断的(上)。在Fluent-Rocky模拟中运行湍流分散确保了自然发生的漩涡和涡流，它们随机出现和消退．

由于热交换器内的气流是不均匀的，颗粒很小，指示Fluent运行湍流弥散是至关重要的，复制Rocky模型中的真实元素行为(图2)。如果没有它，模拟结果将产生每个时间步的平均流场，而不是自然发生的湍流。在现实中，阻碍循环的区域(例如管子的尾迹)会产生接近于零的再循环速度;虽然大多数粒子被吸引到速度较高的区域，但流向该区域的微粒会积聚起来。因此，波动速度-离散的分段时间常数函数，根据局部湍流场(湍流动能和耗散)计算-被添加到平均流体速度:uishi - + úƒ，其中总速度(uishi)等于Fluent流场()的平均速度()加上波动速度(úƒ)，捕捉了影响边缘尾流中非常微小颗粒的拖曳力。

洛基有内置的能力，现实的模型纤维材料。该软件利用一个由虚拟键连接的球-圆柱单元。用户可以通过控制杨氏模量(YM)比(图3)来调节柔性，产生线性和角键变形以及相邻元件上的力和力矩，以抵抗正常、切向、弯曲和扭转变形。不幸的是，关于宠物或人类毛发柔韧性参数的文献很少，因此进行了实验来校准准确的YM比率。

图4。Ansys Fluent速度仿真结果。

一个CFD六面体网格包含702万个流动对齐单元，比四面体网格所需的单元数量少，但足以捕获粘性子层。它为SST湍流k-w模型加入了Y+。Fluent模型采用空气作为可压缩流体相进行瞬态运行模拟。将平均速度场和压力场导出到Rocky进行单向耦合模拟(图4)。

Rocky DEM对球体使用Schiller和Naumann阻力定律，对纤维使用Marheineke和Wegener阻力模型，计算每个粒子的阻力。模拟包括随机方向的连续粒子注入。

耦合模拟结果表明，在计算中引入湍流分散会增加颗粒与壁面之间的碰撞次数，并加剧灰尘和纤维的积累。粘附力也起了主要作用:粘附力越高，沉积的质量就越多。

Sub-Zero未来的工作包括用风洞测试验证这些模拟结果。该过程将形成在拟议的热交换器概念上模拟颗粒积累的框架。Sub-Zero团队了解污垢的移动和沉积，使厨房设计师发挥充分的创造力，这是至关重要的。例如，具有较大前缘的组件(如当前的热交换器)拥有更多可以捕获污垢的表面积。位于冰箱底部的热交换器由于重力效应可以捕获较大的灰尘颗粒。

使冷凝器污秽的非球形污垢颗粒和纤维的宏观视图

一个研发团队如何根据粒子流的发现，设计出一个更好的冰箱，一个对灰尘积聚有很强抵抗力的冰箱?

流利的和Rocky DEM可以极大地帮助Sub-Zero在这方面的努力。这种真正的物理技术提供了惊人的洞察力，而没有过多的物理实验的成本。与台式组件级测试相比，整体污染模拟(一旦框架设置到位)可以节省高达10%的总开发成本，同时缩短了上市时间，因为结果在一周内就可以得到，而不是几个月。最大的节省将被看到在现场部署原型的长期测试项目。