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[摘 要]对风冷冰箱蒸发器化霜过程的数值模拟技术进行了研究。采用实验温度数据作为温度场输入的方式，建立冰箱蒸发器热力耦合的仿真模型。研究模型建立、单元选择、边界条件、温度输入、数据传送等关键问题，提出适合于冰箱蒸发器热力耦合分析的数值模拟方法。应用该数值模拟方法，对实际冰箱蒸发器化霜过程进行分析。通过冰箱蒸发器化霜过程的位移实验数据对比，验证了方法的有效性。
[关键词]冰箱;蒸发器;化霜;有限元;热力耦合
[中图分类号]TS43 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（21）04–0–04
Thermal Mechanical Coupling Numerical Simulation Technology of
Evaporator Defrosting
Zeng Guo
[Abstract]The numerical simulation technology of defrosting process of air-cooled refrigerator evaporator was studied. The simulation model of thermal mechanical coupling of refrigerator evaporator is established by using the experimental temperature data as the input of temperature field. The key problems such as model establishment， unit selection， boundary conditions， temperature input and data transmission are studied， and a numerical simulation method suitable for thermal mechanical coupling analysis of refrigerator evaporator is proposed. The numerical simulation method is applied to analyze the defrosting process of the actual refrigerator evaporator. The effectiveness of the method is verified by comparing the displacement test data of the refrigerator evaporator defrosting process.
[Keywords]refrigerator; evaporator; defrosting; finite element; thermal mechanical coupling
風冷冰箱由于免于人工除霜，深受客户欢迎并已经成为主流产品。但风冷冰箱并不是无霜，而是霜凝结在蒸发器上面。结霜会导致蒸发器传热热阻增大、空气流量减少、换热能力降低等问题，因此在一定时间间隔，需要对蒸发器进行化霜处理。然而在实际应用中，蒸发器的化霜过程极其复杂，影响因素众多，因此深入探究蒸发器化霜过程，最大限度地降低化霜过程各个环节对冰箱性能如异响的影响，保证蒸发器连续和稳定地运行具有重大的理论和工程实践意义。
对于蒸发器化霜研究，目前绝大部分文献主要侧重于：①化霜方法的研究。如在被动化霜方面，Na B等[1]研究不同影响因素下，如何使得减少结霜沉积或使除霜更易进行。Huang D等[2]研究了空气源热泵系统使用三种不同翅片的结霜情况。在主动化霜研究中，Fernando T等[3]通过实验和仿真研究了不同换热器结构参数对换热器性能及除霜的影响。Li D等[4]则对超声波除霜进行了研究。②化霜效率的研究。叶立等[5]对HVAC制热除霜模式进行了研究，通过CFD对蒸发器进行优化消除涡流，增强实际除霜效果。邢鹏成等[6]针对制冷系统蒸发器除霜效率低的问题，研究了不同喷嘴的化霜效果。③化霜过程的控制策略。仲华等[7]设计结合电子膨胀来进行轿车空调化霜控制。Lawrence J等[8]通过研究冷柜中制冷剂的流动不稳定性，判断蒸发器是否开始除霜。
从以上学者的研究成果来看，目前对于化霜的研究主要侧重于化霜的方法及控制。而在冰箱实际的应用当中，由于化霜加热所引起的冰箱结构变形所导致的问题不少。如在化霜过程中由于温度的剧烈变化导致的冰箱异响，是客户投诉较多的问题。由于结构分析需要从温度场到结构场的拓展，以及由于散热翅片太薄导致的建模问题，使得在数值模拟中，容易出现计算问题导致模拟不能最终完成。本文基于热力耦合算法对冰箱蒸发器化霜过程的数值模拟技术进行了研究，分析相关的关键问题，通过冰箱蒸发器化霜过程的实验数据对比，验证了方法的有效性。
1 热力耦合基本理论
有两种方法可以分析温度场与应力应变场的耦合作用，顺序耦合热应力分析和完全耦合热应力分析。对于蒸发器化霜过程，应力应变场和温度场不具有强烈的相互作用，可以采用顺序求解的方法，本文的数值模拟采用顺序热应力耦合分析。目前研究热应力和变形的理论很多。热弹性分析是在蒸发器化霜过程中通过跟踪应变来计算应力与应变的，这种方法可以详细地掌握结构应力与变形的产生和发展过程。
蒸发器的热弹性分析包括如下四种基本的关系：①应变–位移关系（相容性条件）;②应力–应变关系（本构关系）;③平衡条件;④相应的边界条件。
材料处于弹性状态的应力应变关系为：
（1）
式（1）中，为弹性矩阵，是与温度有关的向量，是总应变，包括弹性应变、热应变。 考虑结构的某一单元，在时间t的温度为T，节点外力为，
节点外力位移为，应变为，应力为。则在时間t+dt时，温度、节点外力、节点位移、应变和应力分别变为：T+dT、、、和。由虚功原理，得：
（2）
式（2）中，为几何矩阵，与单元的几何形状有关。
根据弹性准则得到单元的等效节点载荷和刚度矩阵，然后置于总刚度矩阵及总载荷列向量中，便得到可以求得节点位移的代数方程组，其平衡方程组为：
（3）
在热弹性有限元分析的求解过程中，由式（3）可以求出各点的位移增量。而每个单元内的应变增量和单元节点位移增量的关系为：
（4）
再根据应力–应变关系，就可求得各单元的应力增量。因此，通过有限元计算，就可以了解整个化霜过程中动态应力–应变的变化过程和最终的变形状态。
2 蒸发器化霜过程数值模拟
2.1 冰箱蒸发器
本文采用某型号的蒸发器模拟化霜过程。整个蒸发器处于冷冻室之后，由于温度较低，在运行一段时间后，在散热翅片上会结霜。为了蒸发器能够正常运行，通过最低部的加热管进行加热化霜。加热管的功率约为200 W。加热化霜时，空气从下至上逐渐加热，通过空气传递热量进行化霜工作。如图1所示，整个系统主要由冷媒管、散热翅片、支架和加热管组成。冰箱内胆起到固定与支撑作用，冷冻室内由风道板把整个蒸发器封闭在后室中。设计中风道板和冰箱内胆把蒸发器夹在两者之间，图1中的展示并没有风道板。
蒸发器各个部件所用材料如表 1所示。蒸发器中的冷媒管、散热翅片和支架都是铝合金材料，加热管为普通碳素钢，冰箱内胆为ABS材料。由于在应用中系统所经历的温度不高，整个材料只考虑弹性范围进行计算。
2.2 分析流程
如图2所示，整个模型采用顺序热力耦合分析方法，这种分析在耦合交界面处的数据传递是单向的。首先进行温度场计算，根据温度场计算的温度结果，导入到固体结构分析中，再计算固体的应力–应变及位移场。此模型中的温度输入采用真实实验得到，这样计算的结果更加准确，能够反映化霜过程真实的物理状态。整个模型的难点在于，不管对于温度场计算还是固体结构计算，都是瞬态的。在计算过程中，需要把整个时间历程的输入变量按时间段分解，在每个特定的时间段计算对应的温度结果。再将该时间段的温度场结果导入到固体相应的时间段内，这样才能得到准确的随温度变化的应力应变场。
2.3 化霜温度实验
为得到较为准确的温度输入，对化霜过程进行温度测试。本机的整个蒸发器的化霜控制过程如下：在冰箱正常运行过程中，当达到化霜条件后，压缩机停止工作。这时化霜加热管开始工作，它加热内部空气开始化霜，内部温度逐渐升高。当蒸发器上部的温度传感器达5℃时，化霜停止，压缩机重新开始制冷工作。
为准确地测量蒸发器各个位置的温度，在蒸发器的设定位置布置温度传感器。传感器的位置如图3所示，一共布置了10个测点，采用热电偶测试温度。测试方法是先将冰箱稳定开机运行4 h，使整个冰箱的制冷达到稳定状态。而后开启温度测试设备进行测试，连续测试10 h，基本能捕捉到至少一个化霜过程。
图4是化霜过程中各个测点的温度变化曲线，其中3、4、7、8测量点温度接近，只给出3点温度，同样5点与6测量点相近，只显示6点数据。从图4可以看出，由于加热器是从底部加热，在同一水平各个点温度十分接近。在整个蒸发器各个位置，离加热管最近的冷媒管1点最高约在55℃。从下至上温度逐渐减小，3点约在30℃，6点的最高温度约在24℃，9和10点最高温度约在15℃左右。所得到的温度曲线和温度的控制过程十分吻合。在压缩机停止后，风扇开始运行，蒸发器室内的温度慢慢升高。加热管开始工作后，空气温度急剧上升到温度最高值。在加热管停止工作后，由于化霜成水的相变过程以及管内冷媒的作用，温度又开始下降。直到压缩机启动后，温度降到更低，风扇启动后，冰箱重新开始冷冻室的正常工作状态。
2.4 网格及边界条件
为了兼顾计算准确性和效率，在数值模拟中对实际模型进行了简化。所有的模型采用壳单元建模，这样可以有效地减少计算时间。另外一个主要的原因是散热翅片太薄无法用实体单元模拟。冷媒管的直径为8 mm，壁厚为1 mm。散热翅片的厚度为0.15 mm。由于数值模拟的主要目标是对蒸发器的结构响应进行分析，对于冰箱内胆和风道板的模拟，采用平板进行简化处理，厚度为3 mm。数值模拟采用全模型，局部网格做细化处理，弯曲角部更加细化，并应用自适应网格划分技术以提高计算精度，而对于内胆部分使用粗化网格。整个模型高0.48 m，宽0.46 m，节点数约为30万个，单元数为29万个。图5是建立的有限元模型。
整个分析由瞬态温度场和瞬态结构场顺序完成。在温度场计算中，由于在有限元分析模型可以计算的时间点有限，实际应用时根据温度测试结果，把测试的温度数据在模拟的时间内离散到100个时间点。根据温度测量点的所在区域，把整个蒸发器区域由下至上分为5个区域。分别赋予1点、3点、5点、9点的温度。在各个温度计算时间间隔内，对时间进行积分，保证得到的结果反映温度瞬态计算结果。对于冰箱内胆，由于实际是有发泡保温，其外表面做绝热处理。而在风道板外表面，则采用-18℃的温度边界以模拟冷冻室内条件。
在固体场中，为接近真实边界条件，对冰箱内胆的侧边与底部进行固定连接（图5）。同样，冷媒管和冰箱内胆之间采用固定连接方式。同时，由于蒸发器被冰箱内胆与风道板夹住，在支架侧边与冰箱内胆与风道板之间采用boned连接。同样的方式也应用到冷媒管与冰箱内胆的进管处。整个模型在HPz800工作站上，使用32个CPU（3.4 GHz）计算，温度场计算所需时间大约为1 h，固体场约为8 h。 3 结果分析
图6是在化霜过程中的蒸发器最高温度时的应力情况。从图6中可知，在温度最高时，最大的应力为加热管高温产生的热应力为主，为196 MPa。其他位置和支架相比，应力较小。这是由于加热管的温度最高，产生热膨胀最大，但由于支架被挡风板和风道板夹住，导致支架应力较大。这点也很可能是冰箱在化霜时产品异响的一个原因。
为验证模型的有效性，进行位移实验对比验证。对于蒸发器化霜的实验数据，相对而言较难测量。经过研究分析，决定通过打孔的方式测量蒸发器的横向位移进行对比。方法是在冰箱侧面开一个孔，通过钢丝连接内外，通过测量钢丝端部的位移来测量蒸发器相固定点的横向位移。钢丝一端连接蒸发器冷媒管，另一端则贴有测量用的反光纸。这样蒸发器的横向位移能够通过测量钢丝末端得到。位移测试采用精度较高的德国米铱ILD 2300-200激光位移传感器。其绝对误差60 μm，分辨率为3 μm。图7展示了整个测试系统及测试仪器。
图8是化霜过程中温度达到最高阶段，实验数据与仿真数据位移的变化情况。由图8可以看出，实验数据与仿真的变化趋势十分接近。同时，仿真数据最大位移为0.236 mm，实验数据最大位移为0.24 mm，相差只有2%，说明仿真结果能够较准确地反映真实位移结果，仿真结果与实际测量相一致，说明蒸发器化霜仿真模型的有效性（图8）。
4 结语
基于热力耦合算法，采用实验温度数据作为温度场输入的方式，建立冰箱蒸发器热力耦合的仿真模型。研究模型建立、单元选择、边界条件、温度输入、数据传送等关键问题，提出适合于冰箱蒸发器热力耦合分析的数值模拟方法。应用该数值模拟方法，对实际冰箱蒸发器化霜过程进行分析。通过实验结果表明，本文提出的数值模拟方法能够有效地分析冰箱蒸发器化霜过程的结构变化。
参考文献
[1] Na B，Webb R L.A fundamental understanding of factors affecting frost nucleation [J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46 （20）： 3797-3808.
[2] Huang D，Zhao R J，Liu Y，et al. Effect of fin types of outdoor fan-supplied finned-tube heat exchanger on periodic frosting and defrosting performance of a residential air-source heat pump [J].Applied Thermal Engineering，2014，69（1/2）：251-260.
[3] Knabben Fernando T.，Hermes Christian J.L.，Melo Cláudio. In-situ study of frosting and defrosting processes in tube-fin evaporators of household refrigerating appliances [J]. International Journal of Refrigeration，2011，34（8）： 2031-2041.
[4] Li D，Chen Z. Experimental study on instantaneously shedding frozen water droplets from cold vertical surface by ultrasonic vibration [J]. Experimental Thermaland Fluid Science，2014（53）：17-25.
[6] 叶立，张梦伢，叶欢，等.基于CFD的新能源汽车HAVC除霜模式研究[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2020，35（2）：17-22.
[5] 邢鹏成，丁武學，楼晓华，等.蒸发器除霜喷嘴的高压射流特性分析与结构优化[J].机械制造与自动化，2020，49（3）：15-18.
[7] 仲华，唐双波，陈芝久，等.轿车空调蒸发器除霜实验研究[J].流体机械，2001，29（1）：44-46.
[8] Lawrence J.M.W.，Evans J.A. Refrigerant flow instability as a means to predict the need for defrosting the evaporator in a retail display freezer cabinet [J].International Journal of Refrigeration，2008，31（1）：107-112.
[关键词]冰箱;蒸发器;化霜;有限元;热力耦合
[中图分类号]TS43 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（21）04–0–04
Thermal Mechanical Coupling Numerical Simulation Technology of
Evaporator Defrosting
Zeng Guo
[Abstract]The numerical simulation technology of defrosting process of air-cooled refrigerator evaporator was studied. The simulation model of thermal mechanical coupling of refrigerator evaporator is established by using the experimental temperature data as the input of temperature field. The key problems such as model establishment， unit selection， boundary conditions， temperature input and data transmission are studied， and a numerical simulation method suitable for thermal mechanical coupling analysis of refrigerator evaporator is proposed. The numerical simulation method is applied to analyze the defrosting process of the actual refrigerator evaporator. The effectiveness of the method is verified by comparing the displacement test data of the refrigerator evaporator defrosting process.
[Keywords]refrigerator; evaporator; defrosting; finite element; thermal mechanical coupling
風冷冰箱由于免于人工除霜，深受客户欢迎并已经成为主流产品。但风冷冰箱并不是无霜，而是霜凝结在蒸发器上面。结霜会导致蒸发器传热热阻增大、空气流量减少、换热能力降低等问题，因此在一定时间间隔，需要对蒸发器进行化霜处理。然而在实际应用中，蒸发器的化霜过程极其复杂，影响因素众多，因此深入探究蒸发器化霜过程，最大限度地降低化霜过程各个环节对冰箱性能如异响的影响，保证蒸发器连续和稳定地运行具有重大的理论和工程实践意义。
对于蒸发器化霜研究，目前绝大部分文献主要侧重于：①化霜方法的研究。如在被动化霜方面，Na B等[1]研究不同影响因素下，如何使得减少结霜沉积或使除霜更易进行。Huang D等[2]研究了空气源热泵系统使用三种不同翅片的结霜情况。在主动化霜研究中，Fernando T等[3]通过实验和仿真研究了不同换热器结构参数对换热器性能及除霜的影响。Li D等[4]则对超声波除霜进行了研究。②化霜效率的研究。叶立等[5]对HVAC制热除霜模式进行了研究，通过CFD对蒸发器进行优化消除涡流，增强实际除霜效果。邢鹏成等[6]针对制冷系统蒸发器除霜效率低的问题，研究了不同喷嘴的化霜效果。③化霜过程的控制策略。仲华等[7]设计结合电子膨胀来进行轿车空调化霜控制。Lawrence J等[8]通过研究冷柜中制冷剂的流动不稳定性，判断蒸发器是否开始除霜。
从以上学者的研究成果来看，目前对于化霜的研究主要侧重于化霜的方法及控制。而在冰箱实际的应用当中，由于化霜加热所引起的冰箱结构变形所导致的问题不少。如在化霜过程中由于温度的剧烈变化导致的冰箱异响，是客户投诉较多的问题。由于结构分析需要从温度场到结构场的拓展，以及由于散热翅片太薄导致的建模问题，使得在数值模拟中，容易出现计算问题导致模拟不能最终完成。本文基于热力耦合算法对冰箱蒸发器化霜过程的数值模拟技术进行了研究，分析相关的关键问题，通过冰箱蒸发器化霜过程的实验数据对比，验证了方法的有效性。
1 热力耦合基本理论
有两种方法可以分析温度场与应力应变场的耦合作用，顺序耦合热应力分析和完全耦合热应力分析。对于蒸发器化霜过程，应力应变场和温度场不具有强烈的相互作用，可以采用顺序求解的方法，本文的数值模拟采用顺序热应力耦合分析。目前研究热应力和变形的理论很多。热弹性分析是在蒸发器化霜过程中通过跟踪应变来计算应力与应变的，这种方法可以详细地掌握结构应力与变形的产生和发展过程。
蒸发器的热弹性分析包括如下四种基本的关系：①应变–位移关系（相容性条件）;②应力–应变关系（本构关系）;③平衡条件;④相应的边界条件。
材料处于弹性状态的应力应变关系为：
（1）
式（1）中，为弹性矩阵，是与温度有关的向量，是总应变，包括弹性应变、热应变。 考虑结构的某一单元，在时间t的温度为T，节点外力为，
节点外力位移为，应变为，应力为。则在时間t+dt时，温度、节点外力、节点位移、应变和应力分别变为：T+dT、、、和。由虚功原理，得：
（2）
式（2）中，为几何矩阵，与单元的几何形状有关。
根据弹性准则得到单元的等效节点载荷和刚度矩阵，然后置于总刚度矩阵及总载荷列向量中，便得到可以求得节点位移的代数方程组，其平衡方程组为：
（3）
在热弹性有限元分析的求解过程中，由式（3）可以求出各点的位移增量。而每个单元内的应变增量和单元节点位移增量的关系为：
（4）
再根据应力–应变关系，就可求得各单元的应力增量。因此，通过有限元计算，就可以了解整个化霜过程中动态应力–应变的变化过程和最终的变形状态。
2 蒸发器化霜过程数值模拟
2.1 冰箱蒸发器
本文采用某型号的蒸发器模拟化霜过程。整个蒸发器处于冷冻室之后，由于温度较低，在运行一段时间后，在散热翅片上会结霜。为了蒸发器能够正常运行，通过最低部的加热管进行加热化霜。加热管的功率约为200 W。加热化霜时，空气从下至上逐渐加热，通过空气传递热量进行化霜工作。如图1所示，整个系统主要由冷媒管、散热翅片、支架和加热管组成。冰箱内胆起到固定与支撑作用，冷冻室内由风道板把整个蒸发器封闭在后室中。设计中风道板和冰箱内胆把蒸发器夹在两者之间，图1中的展示并没有风道板。
蒸发器各个部件所用材料如表 1所示。蒸发器中的冷媒管、散热翅片和支架都是铝合金材料，加热管为普通碳素钢，冰箱内胆为ABS材料。由于在应用中系统所经历的温度不高，整个材料只考虑弹性范围进行计算。
2.2 分析流程
如图2所示，整个模型采用顺序热力耦合分析方法，这种分析在耦合交界面处的数据传递是单向的。首先进行温度场计算，根据温度场计算的温度结果，导入到固体结构分析中，再计算固体的应力–应变及位移场。此模型中的温度输入采用真实实验得到，这样计算的结果更加准确，能够反映化霜过程真实的物理状态。整个模型的难点在于，不管对于温度场计算还是固体结构计算，都是瞬态的。在计算过程中，需要把整个时间历程的输入变量按时间段分解，在每个特定的时间段计算对应的温度结果。再将该时间段的温度场结果导入到固体相应的时间段内，这样才能得到准确的随温度变化的应力应变场。
2.3 化霜温度实验
为得到较为准确的温度输入，对化霜过程进行温度测试。本机的整个蒸发器的化霜控制过程如下：在冰箱正常运行过程中，当达到化霜条件后，压缩机停止工作。这时化霜加热管开始工作，它加热内部空气开始化霜，内部温度逐渐升高。当蒸发器上部的温度传感器达5℃时，化霜停止，压缩机重新开始制冷工作。
为准确地测量蒸发器各个位置的温度，在蒸发器的设定位置布置温度传感器。传感器的位置如图3所示，一共布置了10个测点，采用热电偶测试温度。测试方法是先将冰箱稳定开机运行4 h，使整个冰箱的制冷达到稳定状态。而后开启温度测试设备进行测试，连续测试10 h，基本能捕捉到至少一个化霜过程。
图4是化霜过程中各个测点的温度变化曲线，其中3、4、7、8测量点温度接近，只给出3点温度，同样5点与6测量点相近，只显示6点数据。从图4可以看出，由于加热器是从底部加热，在同一水平各个点温度十分接近。在整个蒸发器各个位置，离加热管最近的冷媒管1点最高约在55℃。从下至上温度逐渐减小，3点约在30℃，6点的最高温度约在24℃，9和10点最高温度约在15℃左右。所得到的温度曲线和温度的控制过程十分吻合。在压缩机停止后，风扇开始运行，蒸发器室内的温度慢慢升高。加热管开始工作后，空气温度急剧上升到温度最高值。在加热管停止工作后，由于化霜成水的相变过程以及管内冷媒的作用，温度又开始下降。直到压缩机启动后，温度降到更低，风扇启动后，冰箱重新开始冷冻室的正常工作状态。
2.4 网格及边界条件
为了兼顾计算准确性和效率，在数值模拟中对实际模型进行了简化。所有的模型采用壳单元建模，这样可以有效地减少计算时间。另外一个主要的原因是散热翅片太薄无法用实体单元模拟。冷媒管的直径为8 mm，壁厚为1 mm。散热翅片的厚度为0.15 mm。由于数值模拟的主要目标是对蒸发器的结构响应进行分析，对于冰箱内胆和风道板的模拟，采用平板进行简化处理，厚度为3 mm。数值模拟采用全模型，局部网格做细化处理，弯曲角部更加细化，并应用自适应网格划分技术以提高计算精度，而对于内胆部分使用粗化网格。整个模型高0.48 m，宽0.46 m，节点数约为30万个，单元数为29万个。图5是建立的有限元模型。
整个分析由瞬态温度场和瞬态结构场顺序完成。在温度场计算中，由于在有限元分析模型可以计算的时间点有限，实际应用时根据温度测试结果，把测试的温度数据在模拟的时间内离散到100个时间点。根据温度测量点的所在区域，把整个蒸发器区域由下至上分为5个区域。分别赋予1点、3点、5点、9点的温度。在各个温度计算时间间隔内，对时间进行积分，保证得到的结果反映温度瞬态计算结果。对于冰箱内胆，由于实际是有发泡保温，其外表面做绝热处理。而在风道板外表面，则采用-18℃的温度边界以模拟冷冻室内条件。
在固体场中，为接近真实边界条件，对冰箱内胆的侧边与底部进行固定连接（图5）。同样，冷媒管和冰箱内胆之间采用固定连接方式。同时，由于蒸发器被冰箱内胆与风道板夹住，在支架侧边与冰箱内胆与风道板之间采用boned连接。同样的方式也应用到冷媒管与冰箱内胆的进管处。整个模型在HPz800工作站上，使用32个CPU（3.4 GHz）计算，温度场计算所需时间大约为1 h，固体场约为8 h。 3 结果分析
图6是在化霜过程中的蒸发器最高温度时的应力情况。从图6中可知，在温度最高时，最大的应力为加热管高温产生的热应力为主，为196 MPa。其他位置和支架相比，应力较小。这是由于加热管的温度最高，产生热膨胀最大，但由于支架被挡风板和风道板夹住，导致支架应力较大。这点也很可能是冰箱在化霜时产品异响的一个原因。
为验证模型的有效性，进行位移实验对比验证。对于蒸发器化霜的实验数据，相对而言较难测量。经过研究分析，决定通过打孔的方式测量蒸发器的横向位移进行对比。方法是在冰箱侧面开一个孔，通过钢丝连接内外，通过测量钢丝端部的位移来测量蒸发器相固定点的横向位移。钢丝一端连接蒸发器冷媒管，另一端则贴有测量用的反光纸。这样蒸发器的横向位移能够通过测量钢丝末端得到。位移测试采用精度较高的德国米铱ILD 2300-200激光位移传感器。其绝对误差60 μm，分辨率为3 μm。图7展示了整个测试系统及测试仪器。
图8是化霜过程中温度达到最高阶段，实验数据与仿真数据位移的变化情况。由图8可以看出，实验数据与仿真的变化趋势十分接近。同时，仿真数据最大位移为0.236 mm，实验数据最大位移为0.24 mm，相差只有2%，说明仿真结果能够较准确地反映真实位移结果，仿真结果与实际测量相一致，说明蒸发器化霜仿真模型的有效性（图8）。
4 结语
基于热力耦合算法，采用实验温度数据作为温度场输入的方式，建立冰箱蒸发器热力耦合的仿真模型。研究模型建立、单元选择、边界条件、温度输入、数据传送等关键问题，提出适合于冰箱蒸发器热力耦合分析的数值模拟方法。应用该数值模拟方法，对实际冰箱蒸发器化霜过程进行分析。通过实验结果表明，本文提出的数值模拟方法能够有效地分析冰箱蒸发器化霜过程的结构变化。
参考文献
[1] Na B，Webb R L.A fundamental understanding of factors affecting frost nucleation [J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46 （20）： 3797-3808.
[2] Huang D，Zhao R J，Liu Y，et al. Effect of fin types of outdoor fan-supplied finned-tube heat exchanger on periodic frosting and defrosting performance of a residential air-source heat pump [J].Applied Thermal Engineering，2014，69（1/2）：251-260.
[3] Knabben Fernando T.，Hermes Christian J.L.，Melo Cláudio. In-situ study of frosting and defrosting processes in tube-fin evaporators of household refrigerating appliances [J]. International Journal of Refrigeration，2011，34（8）： 2031-2041.
[4] Li D，Chen Z. Experimental study on instantaneously shedding frozen water droplets from cold vertical surface by ultrasonic vibration [J]. Experimental Thermaland Fluid Science，2014（53）：17-25.
[6] 叶立，张梦伢，叶欢，等.基于CFD的新能源汽车HAVC除霜模式研究[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2020，35（2）：17-22.
[5] 邢鹏成，丁武學，楼晓华，等.蒸发器除霜喷嘴的高压射流特性分析与结构优化[J].机械制造与自动化，2020，49（3）：15-18.
[7] 仲华，唐双波，陈芝久，等.轿车空调蒸发器除霜实验研究[J].流体机械，2001，29（1）：44-46.
[8] Lawrence J.M.W.，Evans J.A. Refrigerant flow instability as a means to predict the need for defrosting the evaporator in a retail display freezer cabinet [J].International Journal of Refrigeration，2008，31（1）：107-112.