定制配件:定制厨房电器的解决方案

安德森·波托莱托著
亚零集团有限公司高级产品组首席工程师麦迪逊,美国

高端厨房设计在其豪华的外墙内伪装电器，限制空气流动并捕获灰尘和污垢。耦合CFD-DEM用于研究污垢堆积。

如今的高端厨房里充斥着嵌入式设备，与橱柜的无缝集成可能会带来与机器隔间气流限制相关的技术挑战。冷凝器(热交换器)上的污垢堆积会加剧这个问题，这会影响器具的性能。

对凝汽器污垢积累进行实验评估耗时长，成本高。因此，Sub-Zero将计算流体动力学(CFD)和离散元建模(DEM)结合起来，快速了解污垢积聚背后的机制，从而设计出更坚固的换热器。

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

Sub-Zero在四分之三个世纪前开始生产商用冷冻机，它重新构想了住宅制冷设备，这些设备可以使用20多年。过去，家庭厨房里放着一个又大又笨重的电器，而今天的豪华家居则采用了更小的定制模块，这些模块将制冷设备放在了最有意义的地方——从冰柜、制冰机到葡萄酒/饮料中心，应有尽有。

从工程的角度来看，伪装的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，这是一个不幸的场景。加上纤维(宠物毛发，绒毛等)，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。

恶臭是一种配方

零度以下热交换器调查的第一步是弄清楚如何定义和表示相关的空气中物质，统称为污染物。当时，研究小组一直在使用CFD来模拟气流中的简单球形尘埃颗粒，但需要包括非球形污垢颗粒、高纵横比的头发和棉花等柔性纤维。这些都需要DEM软件，它提供准确的粒子物理来预测在合理的求解时间内的行为。

该公司的工程师之所以选择Rocky DEM，是因为它能够准确地模拟污染物配方，使用多个图形处理单元(gpu)加快计算速度，并与公司的Ansys多物理场模拟产品组合无缝集成。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将获得颗粒沉积、作用于颗粒的流体作用力(如阻力)和粘附力等信息，最终评估热交换器设计如何影响颗粒行为。

图1所示。实验结果表明，单向耦合足以获得准确的仿真结果，简化了分析。左:喷尘后的空气侧压降;右:粒子随时间脱落

单向街?

最初，该团队推测模拟项目将需要以Ansys Workbench为主要平台的双向耦合CFD-DEM方法。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，导致污染物进一步积聚，最终影响效率。如果效率变化很大，进行双向分析将能够模拟杂质对流体流动的影响以及流体流动对杂质沉积的影响。然而，在这种情况下，污物对流体流动的影响足够小，可以忽略不计，如物理实验所示。

物理风洞实验测试了在注入颗粒(粉尘+ 5%棉绒纤维)时换热样品的空气侧压降(图1)。该测试还研究了在污染物积聚和随后的颗粒脱落过程中组件的传热能力。结果显示压降和传热变化极小。对于颗粒沉积，一旦沉积达到一定值，气流就足以使颗粒脱落，停止进一步堆积。

图2。当没有任何东西打断气流时，粒子的运动是平稳和不间断的(上图)。在Fluent-Rocky模拟中运行湍流分散确保了自然发生的旋涡和漩涡，它们随机出现和消退。

尽管实验既繁琐又昂贵，但它们有时可以提供有助于简化建模方法的见解，正如测试在本例中所做的那样。在另一种情况下，含油或含油的热交换器可能会表现出更大的颗粒粘附性，需要双向耦合，从而延长和复杂化分析过程。台架测试提供了进行单向CFD-DEM模拟所需的信心。

思考的食物

工程团队利用Ansys Fluent-Rocky耦合DEM解决方案的功能来预测高纵横比棉绒纤维的附着力，并使用Rocky的附着力模型建模静电力。库仑力——由带电荷的静止物体施加在其他带电荷的静止物体上——当粒子

移动距离比粘接距离更近。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。当没有任何东西打断气流时，粒子的运动是平稳和不间断的(上图)。在Fluent-Rocky模拟中运行湍流分散确保了自然发生的旋涡和漩涡，它们随机出现和消退．

由于热交换器内的气流不均匀且颗粒较小，因此指导Fluent运行湍流弥散，复制Rocky模型中的真实元件行为(图2)至关重要。如果没有它，模拟结果将产生每个时间步长的平均流场，而不是自然发生的湍流。实际上，阻碍循环的区域(例如管道尾迹)产生的再循环速度接近于零;虽然大多数粒子被吸引到一个更高的速度区域，但流到这个区域的斑点会积聚起来。因此，波动速度——根据局部湍流场(湍流动能和耗散)计算的离散分段时间常数函数——被添加到平均流体速度中:uf - ūƒ + úƒ，其中总速度(uf)等于Fluent流场的平均速度(ūƒ)加上波动速度(úƒ)，它捕获了影响边缘尾迹中非常微小颗粒的阻力。

Rocky具有内置的功能，可以真实地模拟纤维材料。该软件利用了一个由虚拟键连接的球柱元件。用户可以通过控制杨氏模量(YM)比率(图3)来调节灵活性，从而产生线性和角度的粘结变形，以及相邻元件上的力和力矩，以抵抗法向、切向、弯曲和扭转变形。不幸的是，关于宠物或人类头发柔韧性参数的文献很少，所以我们进行了实验来校准准确的YM比。

图4。Ansys Fluent速度仿真结果。

CFD六面体网格包含702万个流动排列单元，比四面体网格所需的单元数量少，但足够精细，可以捕获粘性子层。它将Y+纳入海温湍流k-w模式。Fluent模型采用空气作为可压缩流体相进行瞬态模拟。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计算了每个粒子的阻力，对球体使用席勒和诺曼阻力定律，对纤维使用Marheineke和Wegener阻力模型。模拟包括随机方向的连续粒子注入。

耦合模拟结果表明，在计算中引入湍流色散增加了粒子与壁面的碰撞次数，并加剧了灰尘和纤维的积累。附着力也起了主要作用:附着力越高，沉积的质量越多。

Sub-Zero未来的工作包括通过风洞测试验证这些模拟结果。这一过程将形成在热交换器概念上模拟颗粒积累的框架。Sub-Zero团队了解污染物的运动和沉积，使厨房设计师能够充分发挥创造力，这一点至关重要。例如，具有较大前缘的组件(如当前的热交换器)具有更大的表面积，可以捕获污垢。由于重力作用，位于冰箱底部的热交换器可以捕获较大的灰尘颗粒。

非球形污垢颗粒和纤维污染冷凝器的宏观视图

研发团队如何根据粒子流的发现，开发出更好的冰箱设计，防止污垢积聚?

流畅和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，而不需要过多的物理实验。与台式组件级测试相比，整体污染物模拟(一旦框架设置到位)可以节省高达10%的总开发成本，同时还可以缩短上市时间，因为结果只需一周，而不是几个月。在现场部署原型的长期测试项目中，可以看到最大的节省。