FloTHERM帮助优化迷你冰箱设计
FloTHERM帮助优化迷你冰箱设计
M e c h a n i c a l a n a l y s i s
W h i t e P a P e r
啤酒冰箱：开启⼀段个⼈旅途
ROBIN BORNOFF：
“FloTHERM 帮助我优化迷你冰箱设计”
海基科技专业代理电⼦产品散热软件——FloTHERM
摘要
迷你冰箱通常⽤来盛放啤酒，偶尔还会有发霉的三明治，现在已经是⼤学宿舍和办公室休息区⾥随处可见的电器设备。但是，它们的制冷效果，似乎从来不像厨⽤的⼤型冰箱那样出⾊。本⽂件在
www.doczj/doc/d7*******.html
/blogs/tag/beer-eb5a0be6-a06b-4788-9b41-476b8c70454a ⽹站系列博客的基
础之上，以⼀种轻松的⽅式，看待问题并提出解决⽅案。通过使⽤ Mentor Graphics 公司的 FloTHERM TM 演⽰⼀些实⽤的热分析⽅法，并证明热仿真可以帮助⼯程师为⼴⼤消费者设计出更优质的产品。
⼀份礼物
我的⽼板，Roland，⼏年前从德国移居英国，现在已经⾮常享受英国的惬意⽣活。他为 Mechanical Analysis 部门的产品开发部购买了⼀台迷你冰箱作为礼物，之后，这台冰箱⼀直⽤于冰镇啤酒，由于它的容量太⼩⼤家都不能开怀畅饮。就在⼏周前，这台迷你冰箱出了故障。好奇的员⼯⽤螺丝⼑将其拆开之后发现：热电致冷器 (TEC)坏掉了。由于该产品以热原理为设计原理，我想可以利⽤ FloTHERM 应⽤程序对其进⾏（逆向的）热设计。在此⽩⽪书中，我将展⽰如何使⽤ FloTHERM 设计更优质的啤酒冰箱，并演⽰ FloTHERM 的⼀些特⾊功能。正是这些特⾊功能才使 FloTHERM 始终是进⾏电⼦热分析的⾸选 CFD ⼯具。
这种迷你冰箱的制冷原理是根据 Peltier effect（珀尔帖效应），使⽤热电致冷器 (TEC) 将冰箱内部的热量向下
抽送⾄散热器，由于散热器上的风扇不断送⼊冷空⽓，这样，热量就以空⽓对流的⽅式从外壳底部的通风⼝排出。这种⽅式的热量流动确保了冰箱内部的温度始终处于低温状态。相⽐⼤多数家⽤冰箱/冰柜传统的蒸发器/
冷凝器循环⽅式，这种⽅式产⽣的噪⾳更⼩⼀些（尽管有些时候会不可靠!）。
这种应⽤程序对 FloTHERM ⽽⾔是轻⽽易举的，我
只⽤了⼀把尺⼦，就在⼀个⼩时内完就成了对冰箱主
要构件尺⼨的测量，并对其进⾏了 3D 建模。只是在
了解 TEC 和风扇具体的特征信息时才多花了⼀些时
中央空调大金空调间。他们本⾝⽆需明确建模，⽽只需使⽤ “紧凑型
建模⽅法”，在应⽤此建模⽅法时，这些对象的关键
物理性状能得以保留，但却没有建模精确的物理操
作。对于 TEC 来说，只需在 FloTHERM
TEC‘SmartPart’部件中输⼊⼀定的参数即可，⽐
如，获取较热⼀侧温度差所需的电流。（注意这个
TEC 并⾮ Marlow 或 Melcor TEC SmartParts 部
件）。⾄于风扇，需要画出风扇的压降与转换的空⽓
量之间的曲线，借住 Google（也可使⽤其他搜索引
擎），可以发现，此类信息很快就能到。
这张英国国旗图⽚是我⾃⼰⽤⼿机拍摄的 JPEG 格
式的图⽚，只需使⽤ FloTHERM 的纹理映射功能就
可完成。⾄于飞⾏动画则可以通过设置不同的视像
点位置进⾏创建，这些位置设定完毕后即可按顺序
进⾏转换并输出⼀种 avi 视频⽂件（我使⽤的是
Corel? 将其转换为动态 GIF ⽂件）。本⽚段及所有
随后⽣成的动画⽚段，均可在原博客⽂章中查看，⽹
址为 www.doczj/doc/d7*******.html
/robinbornoff/
具有仿真软件基础的⽤户都⾄少会了解正在发⽣的物理学现象，并能够判断仿真所⽣成的结果是否准确。这只是⼀种“我希望冰箱内部的空⽓是冷的”的⼀种“⾼端的”⽅式。这是冰箱内部的表层温度，为了事看起来更加清晰, 冰箱的⼀侧被隐藏了。
⽆意中伤我⽼板的购买⼒，但是⼤家都说这看起来真
像是⼀台价廉物劣的冰箱，根本⽆法保证冰箱内部均
匀制冷。TEC 只是对冰箱内层底部的⼀块⼩冷却板进
⾏冷却，将热量从冰箱底部送⾛，但是随着热空⽓的上
升，冷空⽓仅仅停留在底部。
说到风扇的效果，设计良好的风扇应该能够通过风扇
丸子头的扎法步骤把冰箱底部周围产⽣的冷空⽓吸引过来，然后将冷空
⽓吹⾄散热器。此时空⽓会升温，因此应布置好通风
⼝以便使热空⽓可以再次排放到外部空⽓中。当然，您
最不希望的⼀件事就是热空⽓再次循环⾄风扇的底部
⼊⼝，进⽽再次返回⾄散热器。哦，天啊……
还是回到 TEC 这⼀话题，我确实需要设想⼀下操作电
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流值是多少。对于这个迷你冰箱，我想应该是 2.5 安
培。TEC 性能对这个数值有很⼤影响，对于这台冰箱，
我很想知道其最优 TEC 操作电流应该是多少……
爱喝啤酒的⼈⼤都⼗分喜欢安静，因此，那种传统的通过压缩/膨胀制冷的冰箱发出的嘶嘶声和呼呼声，对他们
来说不胜其烦。他们会说厨房就是⽤来放置噪⾳不断的冰箱的，孩⼦就是⽤来唤去买酒喝的。所以，利⽤热电制冷器 (TEC)制冷的电动冷却器和冰箱应得到⼴泛推⼴，因为他们通过将热量从冰箱内部抽出⽽进⾏冷却，这样产⽣的噪声（更）⼩。不过，这样就会导致制冷效率下降 6 倍之多，因此耗电量就会增加，才能使啤酒的温度达到适宜饮⽤的温度。但是如果你只需要冷却⼀个不⼤的空间，要求也不是特别⾼，那么效率降低 6 倍之多也⽆⼤碍。相⽐嘶嘶作响且振动不断的家⽤冰箱，这种TEC 型迷你冰箱更便携，因为它完全可以使⽤车载点烟器进⾏充电，然后就可以有冰镇啤酒为你消除漫漫旅途中的乏累
了！TEC 的运转原理是：电流通过⼀系列半导体 PN 对，在 TEC 的两个陶瓷夹边之间造成温差，从⽽造成热量的流动。就像电风扇⼀样，通电之后，电机带动上⾯的叶⽚旋转，从⽽使空⽓流动。但是，
对于 TEC 来说，如果供应的操作电流过⼩的话，它就⽆法抽吸⾜够多的热量；如果供应的操作电流过⼤，它⾃⾝就会过热，从⽽效率下降。（以上只是我个⼈的粗浅看法，还请 TEC 专家们对我批评指正……）。
（好吧，我承认，这种图表样式看起来并不是最优秀的。和许多的 CAE 供应商⼀样，我们以前也是很注重 Excel 表格的图表样式和设计能⼒，但是现在我们认为将仿真数据导出到 Excel 才是最重要的）
。
下⾯我们就使⽤ FloTHERM，这⼀ CFD 电⼦冷却仿真的⾸选⼯具来研究 TEC 的操作电流和由此产⽣的内部温度情况。FloTHERM 配有⼀个被称为“命令优化中⼼” (Command Center) 的应⽤程序窗⼝。此窗⼝⽀持 FloTHERM 模型的任何参数的变化且能将变化所引起的后继⽅案的结果反馈给⽤户。在这⾥，我打算让 TEC 的操作电流在 1 安到 6 安之间变化。在软件中的设置⽅法如图所⽰：
qq不显示手机在线单击“执⾏”(Go) 按钮，FloTHERM 将运算所有变量问题并提供结果反馈。查看结果的最简便的⽅式之
⼀是查看“监控点”(monitor point) 温度，即模型中各定义点处的温度，在本例中这些定义点分布于冰箱内部的右侧底部、中部和顶部：
下图表明，电流约为 4 安时，TEC 性能最佳，冰箱底部的温度最低。⾼于或低于 4 安，冰箱的性能就会下降。有
趣的是冰箱中部总是热的。顶部则⼀直是很热。下⾯让我们进⼀步看⼀下极限温度及最佳温度时候的分布情
大连经济酒店况：
由于这种稳定的成层作⽤，即使电流为 4 安时，冷空⽓也只是停留在冰箱底部，根本⽆法到达冰箱顶部。也就是
说，在任何情况下冰箱顶部都很热（除⾮您特喜欢喝啤酒）。
因此，究竟怎样才能使冷空⽓均匀分布在冰箱内部呢？把冰箱内部塞满啤酒，这样冷空⽓就能通过啤酒向上传
导，还是将这个冰箱倒置，使冷空⽓下沉，从⽽在冰箱内部均匀分布呢？
侧⾯朝上放置还是倒置？
我好像意识到对于这个空冰箱来说，⼀切研究都是徒劳。这和新年时下定决⼼要正经⽣活⼀样讽刺。不过，我们
还是不妨全⾯看⼀下这个有点特殊的研究……。不知是因为啤酒问题⽽带来的愤怒，还是⼼⾎来潮的伽利略科学
实验的探索精神，我到最后真的把这个冰箱侧⾯朝上放着了，甚⾄是把它举起来，正⾯朝下，倒着放置。但是冰箱
门⼀直是关闭状态，那么它的冷却系统怎么会受影响呢？让我们试着发掘其中的原因。
前⾯已经说过，TEC 的冷却作⽤仅仅停留在冰箱底部的那⼀⼩块⾦属板上⾯，因此，⾦属板周围的空⽓温度是最
低的，距离⾦属板越远，空⽓温度越⾼。即使是⼗⾜的外⾏⼈也知道热空⽓会上升（还有散热器，这个就另当别
论了）。冰箱正⾯向上时，其内部底部的⾦属板是冷的，这样冷空⽓就只是停留在冰箱底部，然⽽，热空⽓就会
停在冷空⽓上⽅。但是，如果将冰箱侧⾯朝上或者是倒置，⾦属板冷却的空⽓就会从冰箱的底部下沉，这样内部
的空⽓就会混合。
这样做的主要效果就是降低了空⽓的平均温度。在 FloTHERM 中部件经过⼏次旋转及后继仿真操作之后所产⽣的效果如下图
如果你来⾃美国、缅甸或利⽐⾥亚，官⽅使⽤或者授权的不是公制单位体系，则就应该是如下图所⽰：
⽆论如何，⼀个空电冰箱的温度是绝不会那么低的。
如果进⾏逆向思维的话：即使是我的爱狗也知道，
把暖⽓⽚安装到天花板上为整个房间供暖并不可⾏。因此，产品设计才是最重要的。能够降低成本的简洁设计⼗分重要。但是将散热器或者风扇等类似的部件放到顶部，可能会导致产品结构不稳定，增加诉讼风险。问题在于，这种迷你冰箱强调是以实⽤性为⽬的，因此，当你把冰箱都塞满罐装啤酒时，就应该意识到可能会受冷不均。也许你还是要三思……
FloBEER
但是，不放啤酒的啤酒冰箱就像未知数X⼀样，毫⽆意义。当你把整个冰箱都塞满了罐装啤酒时，你就应该明⽩这会使冰箱的散热性⼤为削弱。就像有⼈在谈到 Simon Cowell 时说的那样：“哦，你真是⼤错特错了”。当你使⽤ FloTHERM 对⼀罐啤酒进⾏建模时，事实上，在为任何⼀个物体或者其中的⼀部分进⾏建模时，你都有多种表现⽅式。你应该不会担⼼啤酒罐侧⾯的印刷内容吧。即使是我的爱猫都知道它们不会对热性能有影响。那么罐内的啤酒呢，能明确建模吗？理论上是可以的，但是我们还是务实⼀些。如上所述，竖直放置冰箱时，冰箱内部的温度变化会使冰箱整体状态始终保持稳定，
冰箱底部较冷，顶部较热，冷空⽓不会流动。每个啤酒罐内的温度变化也同样如此，结果罐内液体平稳地停在罐内，甚⾄就像是固体⽽⾮液体。所以更容易仿真。让我们将每个啤酒罐建模为具有导热系数的圆柱体，⽤来表⽰被⼀块薄⾦属包围的（静⽌）液体。很轻松地就得出了数值：5 W/mK。
如果我们将冰箱内部的空⽓对流以动态的⽅式显⽰出来的话，下沉的冷空⽓的混合效果就会更加直观（请注意我已将温度范围缩⼩到 14 到 16 摄⽒度之间，蓝⾊表⽰ =<14，红⾊表⽰ => 16，以便清楚显⽰（上升的）热空⽓和（下沉的）冷空⽓，但注意并不是很成“规模”）：
稍详细些阐述，以下显⽰了冰箱内的温度变化，如
FloTHERM 所阐述：
FloTHERM 后处理窗⼝，即可视化编辑器（免
费且与 FloVIZ 具有相同的作⽤）。它的纹理映
射功能，能够⽅便直接地创建图像并将其映射
到 FloTHERM 圆柱体对象上⾯，接下来你就轻
松得到⼀个 FloBEER 啤酒罐！图⽚上显⽰的是
汉普顿宫 ( Hampton Court)，英国最声名狼藉
的国王亨利⼋世的居所，就位于其办公室附
近。
让我们在冰箱中放 13 罐罐⾝为此图像的啤酒，关上冰箱门然后观察会有什么发⽣……
与内部平均温度⼤约 18 摄⽒度的空冰箱相⽐，存
放啤酒时冰箱内的平均温度下降到 13.6 摄⽒度，
啤酒⾃⾝平均温度下降到 10.1 摄⽒度。并⾮所有
啤酒罐的温度均相同，当然是位于冷⾦属板上⽅的
那个啤酒罐温度最低。（如右图所⽰，隐去了前⽅
的 3 个啤酒罐）：
相对于使冷空⽓从 TEC 处上升并在冰箱内部平均
分布，这种通过冷空⽓⾃⾝传导的⽅式，效果更加
明显。即使空⽓流动也不能与 FloBEER 的传导能
⼒相匹配。
享⽤ FloBEER
好事多磨。对于冰镇啤酒来说，耐⼼和满意度是成正⽐的。如果您刚把啤酒放⼊冰箱就让您的孩⼦为您取出⼀
瓶，虽然能解决您⼝渴的问题，但对于冰镇效果你可能不甚满意。但是如果你⼀直想要很好的冰镇效果，说不定你会压根忘了这事⼉，或者去上床睡觉了，或者⼲脆去喝威⼠忌了。⼀项瞬态热学仿真会
告诉你需要多长时间能够使啤酒受冷均匀……
因为远离冰箱门，冰箱后部的冷度稍有偏差，所以冰箱底部中间和底部后⽅的啤酒应是⾸选。记得将其他啤酒罐移到刚刚腾出的位置，如果您想要估算或仿真计算（单独进⾏）您喝完当前取出的这罐啤酒后下⼀罐啤需要多长时间才能冷却到理想的温度，
请参考以上信封或者使⽤ FloTHERM 进⾏计算。
在 FloTHERM 中进⾏瞬态仿真时，您需要确定预测
系统特性的期望时间值。使⽤信封背⾯的计算⽅法可以得出持续时间的初值估计。其余只要耐⼼等待 FloTHERM 完成整个仿真就好了。最终得到的结果是在诸多时间点（时间段）分布的⼀系列完整的三维温度预测值。这样就可以显⽰冷空⽓降低啤酒罐温度的⽅式了。
时间常数的计算⽅法是⽤电阻乘以电容。或许我们可以说是您对免费啤酒的渴求 x 您的酒量。我们可使⽤信封背⾯的公式来计算在低温环境中的常温啤酒需要多久才能达到冷却温度。热阻 = 1/传热系数
x ⾯积，热容 = 密度 x体积 x ⽐热，时间常数 = 热阻 x 热容。啤酒冷却到最低温度的 2/3 时所需的时间就是时间常数。下⾯就是这个信封……
挡板与瓶颈
关注热设计的⽩⽪书，迄今为⽌仅提供了极少量珍贵的设计信息。设计是为建造某个对象/产品⽽制定计划的过程。⽆论您⽀持理性还是以⾏动为中⼼的设计过程模式，均可以采⽤某种迭代及改动来创作出适合⽣产的设计。尝试实施⼀种想法，结果失败，出原因，然后尝试实施另⼀种更好的想法，这就是设计成功的精髓所在。
推动了英国⼯业⾰命发展的⼯程师们加快了⼤英帝国的发展，同时他们也受益于⼯业⾰命的成果。19 世纪的⼯程企业家既感受了成功的喜悦也体会了失败的沮丧。因此，对于时任西部⼤铁路公司 (Great Western Railway) ⾸席⼯程师的 Brunel 来说，选择采⽤宽轨铁路和在 GWR 部分路段应⽤⼤⽓（真空）牵引，皆是时代命运使然。⽽在利益是第⼀驱动⼒的今天，“不⼊虎⽳焉得虎⼦”及“如果第⼀次就成功，那么您将⼀⽆所获”也是是⼤家应铭记于⼼的。
现在继续冰箱设计这⼀话题。以此为鉴，如果在投⼊⽣产之前对物理模型进⾏烟流显性测试，就会发现风扇和散热器的排⽓布置与结构还有待优化。如果 TEC 从冰箱中吸收的热量能够传递给散热器并通过散热器上⽅吹冷⽓的风扇将其排放到室内，这样 TEC 才发挥作⽤。虽然室内温度会有所上升（
罗志祥取关周扬青⼀点⼉），使您想喝罐啤酒解渴。但是这样不是更好吗？在事情⼴为接受之前犯些错误总⽐之后再进⾏补过要好得多。
以上图⽚显⽰了 FloTHERM 仿真所产⽣的流场，流动空⽓箭头的温度⽤颜⾊标注（红⾊代表热空⽓），为了显⽰更清晰，略去了冰箱外壳。图⽚中清晰显⽰了散热器传递出的热空⽓被吸⾄装置下⽅并吸回风扇内的过程。由于与吹⾄散热器的冷空⽓距离较远，实际上这些热空⽓仅仅起到了使⾃⾝增温的作⽤（嗯，精确的说应该是冷却效果不是特别明显）。……另外，被吹⾄散热器的⼀部分空⽓并没有按照常理沿着散热器通道向下流动，相反，它们进⼊了散热器通道并⽴刻通过散热器和风扇之间的缝隙侧路流出，

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