半导体冷箱制冷性能的数值模拟

　　较之与传统的实验方法，应用CFD 软件对制冷装置的性能进行数值模拟以做进一步的优化分析，可以节省时间，减少物力、开支，因此，该研究方法必将得到广泛的应用。

　　近年来，已有不少学者应用 CFD 软件对冰箱的制冷性能进行优化分析，主要集中在流场与温度场的特性研究方面[1 -3]，如利用三维稳态模型对冰箱箱内的流动和换热的数值模拟; 对冰箱箱内的非稳态自然对流的二维数值模拟等。在研究结构优化方面，如搁物架的结构形式及放置位置对冷藏室内温度场、流场的影响; 冰箱冷冻、冷藏室的布置方式对室内温度场、流场的影响; 冰箱内搁板的导热系数，搁板与蒸发器、门之间的距离对箱内温度场、流场的影响; 箱体铝内胆厚度对箱内温度场的影响等[4-8]。

　　然而，有关以下问题的研究相对较少: 对三维非稳态工况的模拟、考虑箱内表面辐射换热的模拟、对冰箱抽屉内空气流场与冰箱箱内流场的耦合以及对间冷式冰箱箱内流场和温度场的研究等[9]。虽然也有关于冷端的不同布置位置对半导体冷箱制冷性能的影响数值模拟研究[10]，但其只考虑到在自然对流换热条件下，将冷端布置在箱内后侧壁上的情况。本文将对冷端分别采用强迫风冷换热、自然对流换热方式时，温度场的分布情况进行模拟分析以寻求冷端的最佳布置位置，使得半导体冷箱具有更好的制冷性能。

　　1 计算模型

　　1. 1 物理模型

　　本文以1 台半导体冷箱样机为对象，模拟计算其工作空间的温度场，并通过测量其工作空间6 个特定点的温度来验证计算模型的准确性。该冷箱的外形尺寸长(x) ×宽(y) × 高(z) 为408mm×495mm×248mm，内部空间的尺寸长(x)×宽(y)×高(z) 为357mm×330mm×198mm。简化后的几何模型的俯视图见图1。

　　1. 2 控制方程

　　为了简化模型，本文所做计算不考虑门封的漏热，忽略冷箱内部的辐射换热，认为冷源温度恒定，将冷箱内的流体看作是干空气并且是牛顿流体、密度和定压比热容均为定值。控制方程如下:

　　连续性方程

　　联立以上5 个方程求解未知量u，v，w，T，p。其中: u，v，w分别为直角坐标系中x，y，z方向的分速度，m·s^-1; T 为温度，K; p 为压力，Pa; ρ 为密度，kg·m^-3; cp为定压比热容，J·kg^-1·K^-1; μ为动力黏性系数，Pa·s; k 为导热系数，W·m^-1·K^-1; [ε]为变形率张量，

　　1. 3 边界条件

　　本次数值模拟采用第3 类边界条件计算温度场，即研究对象是整个冷箱( 包括箱内流体、箱体以及其他制冷部件) ，以箱体外壁面为边界，计算箱体保温层的导热、保温层与外部空间的对流换热以及冷箱内部流体的对流换热。冷源温度及环境温度由实验测得。