大型冷庫內溫度場的數(shù)值模擬與優(yōu)化

李藝哲 謝 晶

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

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大型冷庫內溫度場的數(shù)值模擬與優(yōu)化

李藝哲 謝 晶

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

以典型大型冷庫作為研究對象，對冷庫內外環(huán)境(包括空氣幕在內)進行三維數(shù)值建模，并利用計算流體力學軟件對冷庫內溫度場進行模擬研究，并將計算結果進行了實驗驗證。通過對結果分析可得：在穩(wěn)態(tài)條件下，庫內流場溫度雖達到了要求的范圍，但堆垛貨物附近的溫度場分布并不均勻，貨物之間與庫內其他區(qū)域存在著較明顯的溫差；在非穩(wěn)態(tài)條件下，空氣幕的送風速度對溫度場的影響很大，當送風速度為8 m/s時，庫內溫度場的波動較小，空氣幕性能較好。在該基礎上提出了今后可進一步優(yōu)化的建議：改變庫內空氣的流動方式，改變貨物的堆垛方式，降低貨物堆垛高度，對影響空氣幕性能的其他參數(shù)進行研究優(yōu)化。

冷庫；溫度場；數(shù)值模擬；空氣幕

近年來，中國冷庫在規(guī)模和數(shù)量上快速增長，但部分冷庫內部存在氣流分布不均勻的問題，導致了庫內食品貯藏質量下降[1-3]。特別是在貨物進出冷庫時，庫內外空氣發(fā)生強烈熱濕熱質交換，在庫門附近產生薄霧，影響操作人員視線，易引發(fā)安全事故[4]，同時還會造成庫門處不同程度的結霜、庫溫升高、熱負荷增加等諸多問題[1]。由此可見，冷庫運行時庫內溫度的合理分布至關重要。為了解決上述問題，通常會選擇在冷庫入口處安裝空氣幕機來阻隔庫內外氣體流動交換，進而達到保持庫內溫度，降低冷庫運行能耗的目的[5]，但在使用空氣幕的過程中，往往會忽略其送風參數(shù)等關鍵因素，從而影響其封閉、阻隔效果。

計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)是流體力學的分支，常在求解流體流動和傳熱問題中使用[6]，將CFD軟件及數(shù)值模擬技術運用在上述問題中，能夠快速、直觀地模擬出設備內溫度場的分布情況，解決流場分布不均勻的問題，還能降低設備能耗；趙鑫鑫等[7]利用CFD軟件對影響冷藏車內溫度場分布均勻性的因素進行了研究分析；湯毅等[8]利用CFD技術，對3種不同的風機擺設形式進行模擬，分析了它們在運行時對冷庫氣流的影響，并提出相關節(jié)能建議。本研究擬利用計算流體力學(CFD)軟件，以及數(shù)值模擬理論，對某帶貨物冷庫庫內溫度場進行穩(wěn)態(tài)模擬研究及實驗驗證；在此基礎上，對庫門開啟過程中，空氣幕在不同吹風速度下庫內溫度場的變化規(guī)律進行研究，從而預測出該冷庫空氣幕的最佳送風速度，為節(jié)約冷庫能耗、提高空氣幕的運行效率提供參考依據(jù)。

1 模型建立

1.1 物理模型

本研究選取上海市楊浦區(qū)東方國際水產市場中的典型大型冷庫為研究對象，該庫尺寸為42 m(長)×36 m(寬)×3.8 m(高)。冷庫內使用吊頂排管式蒸發(fā)器進行降溫，其尺寸為41.2 m(長)×35.2 m(寬)×0.08 m(高)。冷庫門位于中間，尺寸為2.4 m(長)×1.8 m(高)。冷庫壁面采用0.15 m厚的保溫隔熱層。庫內貨物分為四垛擺放，貨物之間的通道寬度為4 m。庫門外側上方安裝的是貫流空氣幕機，距離墻面0.15 m。在計算過程中，庫外環(huán)境也需要考慮在內，因此本試驗將庫外過道模擬為38 m(長)×26 m(寬)×4.8 m(高)的長方體。冷庫內部、空氣幕及庫外環(huán)境的三維模型見圖1。

圖1 冷庫模型

1.2 數(shù)學模型

首先建立合適的描述庫內流動換熱的數(shù)學模型，并在建模時作如下假設：① 庫內為不可壓縮空氣，且符合Boussinesq假設；② 庫內管道及鐵架對流場的影響忽略不計。由于本模型流場雷諾數(shù)約為106，屬于大空間紊流流動換熱問題，因此可采有D.B.Spalding的紊流流場k-ε的數(shù)學模型[9]，在坐標系下，聯(lián)立連續(xù)性方程、能量守恒方程、動量守恒方程、k方程以及ε方程作為計算方程組，5個控制方程表述[10]：

連續(xù)性方程：

(1)

能量守恒方程：

(2)

動量守恒方程：

(3)

(4)

(5)

標準的k-ε方程：

(6)

(7)

式中：

Gk——湍動能k的產生項；

Gb——由浮力引起的生成項；

C1ε——常數(shù)，1.44；

C2ε——常數(shù)，1.92。

2 模擬計算與實驗驗證

模擬中使用CAD和GAMBIT軟件進行模型建立及網(wǎng)格劃分，并在FLUENT軟件中設定邊界條件：對蒸發(fā)器采用恒溫壁面，t=-24 ℃；對于冷庫壁面采用第二類邊界條件，壁面總熱阻為5.193，庫內外設計溫度分別為-23，20 ℃，因此可求得壁面的熱流密度q=7.68 W/；對貨物采用多孔介質模型，貨物要求達到的溫度范圍為-18 ℃左右；貨物孔隙率設置為0.6。空氣幕回風口采用outflow邊界條件：在庫門關閉時，采用SIMPLEC算法來求解壓力、速度的耦合；當庫門開啟時，由于是一個瞬態(tài)過程，因此采用計算精度更高的PISO算法[11]。

實驗驗證過程中，溫度數(shù)據(jù)的采集是基于有源RFID技術的庫房溫度監(jiān)控系統(tǒng)(自主開發(fā))，測溫點的布置方式以排管蒸發(fā)器為基礎，在其下方進行均勻布點，布點個數(shù)為42，按從左到右，從上到下的順序依次編號，布點位置及部分編號見圖2。在穩(wěn)態(tài)測量過程中，為了全面地觀測庫內各處的溫度，將采集全部點的溫度進行分析。在非穩(wěn)態(tài)測量過程中，由于靠近庫門內側區(qū)域的溫度場受到的影響最大，因此僅對靠近庫門中心位置點(即圖2中編號點4)進行測量即可。

圖2 測溫點分布圖

3 庫內穩(wěn)態(tài)溫度場結果分析

模擬計算過程中，通過Tecplot360(2013)軟件將模擬計算結果輸出。圖3為冷庫的整體三維溫度場分布圖。從圖3可以看出，冷庫下部溫度比上部溫度略高，是由于蒸發(fā)器安裝在靠近庫頂側，而下部貨物有熱量散發(fā)所致。圖4為z=1.9 m截面溫度場分布圖，可以直觀地反映出堆剁貨物的截面溫度分布：庫內四堆貨物的溫度分布基本趨于一致，都能夠達到-18 ℃的要求。圖5是冷庫堆垛貨物間通道縱截面溫度場分布圖，與圖4綜合對比可發(fā)現(xiàn)，庫內每堆貨物間通道的溫度要明顯低于貨物本身的溫度，而庫內其他空間的溫度則更低，主要原因是貨物在降溫時也伴隨著熱量的散發(fā)，而庫內的空氣流動方式是自然對流，貨物間的空氣流動較慢，溫度較高。圖6為z=3.32 m的截面溫度場分布圖，由圖6可知，貨物上方的整體溫度分布基本均勻。圖7是通過CFD軟件對截面進行后處理的冷庫測溫布點截面溫度分布圖，從圖7可以清晰看出，各個測溫點的模擬溫度值基本一致，所有點都達到了-23 ℃左右。

試驗過程中溫度的測量是在冷庫關門后溫度穩(wěn)定的情況下測得的。圖8為模擬結果與試驗結果測溫點溫度值的對比，通過對42個測溫點溫度值對比發(fā)現(xiàn)，模擬結果中各點溫度分布基本一致，偏差幾乎不存在，溫度分布也較均勻，試驗結果中則反映出各點之間存在著2～3 ℃的溫差。將模擬與試驗結果綜合比較發(fā)現(xiàn)，模擬結果與試驗結果僅存在10%以下的較小誤差，因此可得模擬結果與試驗結果基本相符，數(shù)值模擬結果較準確。

圖3 冷庫三維溫度場分布圖

圖4 冷庫z=1.9 m的截面溫度場分布圖

圖5 冷庫內通道截面溫度場分布圖

圖6 冷庫z=3.32 m的截面溫度場分布圖

圖7 冷庫測溫布點截面溫度分布圖

圖8 模擬與試驗測溫點溫度對比圖

4 空氣幕送風速度的優(yōu)化

在庫門開啟進出貨物時，空氣幕的送風速度大小直接影響其封閉效果，若送風速度過小，冷庫庫門得不到完全封閉，達不到阻隔庫外熱空氣侵入的效果；若速度過大，則導致空氣幕運行能耗大，造成不必要的浪費。庫內外溫度場的變化趨勢直接反應了空氣幕效果的好壞。因此，在非穩(wěn)態(tài)模擬過程中，將冷庫穩(wěn)態(tài)溫度場作為初始條件，研究空氣幕以不同送風速度開啟后，庫內外溫度場的變化情況，對空氣幕的送風速度進行優(yōu)化。

空氣幕送風角度為0°時，送風速度分別為6，8，14 m/s時冷庫內外溫度場的模擬截面圖見圖9～11。

由圖9可知，1～3 min時，庫內溫度場由庫門向內不斷變化，特別是在靠近庫門區(qū)域受到的影響較大，門內側附近區(qū)域溫度高達10 ℃左右，門外側下方環(huán)境溫度也在不斷變化，由此可見庫門處的熱量交換比較劇烈，主要原因是空氣幕的送風速度過小，射流沒有到達庫門底部就被破壞，沒有起到阻隔外界熱量侵入的作用。

由圖10可知：當送風速度為8 m/s時，雖然庫內溫度變化不斷向庫內部延伸，但庫門處的溫度有明顯的下降，庫門內側上下區(qū)域的溫度差也有所減小，空氣幕的封閉效果得到顯著改善，庫內溫度場基本達到運行要求。

由圖11可知，當送風速度增大至14 m/s時，庫門附近的溫度又有明顯的上升，而且?guī)扉T附近區(qū)域溫度差也在逐漸增大，空氣幕的封閉性能有所下降，這是由于過大的送風速度會造成庫內的冷空氣與空氣幕射流之間的熱質交換增加，導致庫外熱空氣大量向庫內侵入。

圖12為空氣幕在3種不同送風速度下，庫內測溫點的變化趨勢圖。由圖12可知，當空氣幕的送風速度為8 m/s時，庫內測溫點的值達到最低，且與模擬結果完全一致。因此可得，此冷庫空氣幕的最佳送風速度為8 m/s。

圖9 冷庫內外溫度場y軸中心截面圖(6 m/s)

圖10 冷庫內外溫度場y軸中心截面圖(8 m/s)

圖11 冷庫內外溫度場y軸中心截面圖(14 m/s)

圖12 冷庫內測溫點4溫度變化圖

5 結論

通過對堆垛貨物冷庫內部溫度場實測發(fā)現(xiàn)：庫內流場溫度雖達到了要求，但堆垛貨物附近局部溫度場分布還有不足。本研究對象冷庫面積較大，庫內空氣流動速度較慢，從而影響庫內溫度場的分布。在對空氣幕參數(shù)優(yōu)化的研究中，雖得到空氣幕的最優(yōu)送風速度，使空氣幕的封閉性能得到增強，但在實際應用方面，空氣幕的其他參數(shù)對其隔離效果也起著關鍵作用，不容忽視。因此，在今后的研究中可考慮以下幾點建議：

(1) 改變庫內空氣的流動方式，在堆垛貨物之間的通道盡頭兩端加裝風機，加快庫內及貨物之間的空氣流動，減小庫內不同區(qū)域的溫差。

(2) 改變貨物的堆垛方式。由于貨物的擺放形式對庫內流場分布產生重要的影響，因此可以減小堆垛貨物尺寸，增加貨物堆垛數(shù)量，使貨物之間有更多的間隙，從而使庫內空氣流動更均勻。

(3) 降低貨物堆垛高度。適當降低貨物堆垛高度，增加每層貨物的間距，能夠促進貨物間空氣的流動，使貨物溫度均勻。

(4) 還可以對影響空氣幕封閉效果的其它參數(shù)(送風溫度、送風角度、噴口寬度)進行優(yōu)化，使空氣幕的各項參數(shù)達到最優(yōu)，進一步增強空氣幕的性能、降低空氣幕的運行能耗。

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Numerical simulation and optimization on temperature field in large cold store

LI Yi-zhe XIE Jing

(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

A three-dimensional numerical model included the inside and outside environment of the cold store, and air curtain of the big cold store was established in this study. The steady and unsteady simulations of the temperature field were performed by using numerical simulation software, and the relative results were used for experimental verification. It turned out that experimental verification was basically coincidence with the results of the simulations. Acquired from analyzing the results of simulations, although the temperature field in the cold store reached the required temperature range, the distribution of temperature field near stacking goods was not balance completely, due to the obvious temperature difference between goods and other areas in the cold store. When the supply velocity of the air curtain was 8 m/s under the unsteady condition, the temperature field of the cold store had the smallest fluctuation and the air curtain had the highest efficiency. We put forward suggestions that it could be optimized in future, including the change of air flow patterns in a cold store, the stacking ways and height of goods, and other parameters of the air curtain.

cold store; temperature field; numerical simulation; air curtain

國家“十三五”重點研發(fā)項目(編號：2016YFD0400303)；上海市科委平臺能力提升項目(編號：16DZ2280300)

李藝哲，男，上海海洋大學在讀碩士研究生。

謝晶(1968—)，女，上海海洋大學教授，博士。 E-mail：jxie@shou.edu.cn

2017—03—09

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.06.028