不同風(fēng)速對(duì)冷庫溫度場(chǎng)和流場(chǎng)性能影響的研究

尹義金　李金偉

摘要： 為了使冷庫內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，本文基于數(shù)值模擬軟件Fluent，對(duì)不同風(fēng)速進(jìn)入冷庫所形成的空氣流場(chǎng)及其對(duì)溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。當(dāng)進(jìn)入冷庫的風(fēng)速分別為1，3，5 m/s時(shí)，對(duì)冷庫的影響情況進(jìn)行模擬和分析。分析結(jié)果表明，在一定速度范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，降溫能力增強(qiáng)，換熱效果好，降低到冷庫所需溫度的時(shí)間減少，但超出該范圍，制冷效果并不明顯。通過對(duì)3種情況的研究表明，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s時(shí)，該冷庫整體換熱效果最好，最為節(jié)能。該研究具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 冷庫； 數(shù)值模擬； 空氣流場(chǎng)； 溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)： TB69. TB657文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)冷鮮食品的質(zhì)量要求越來越高，因此冷庫在食物儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和保鮮中的作用尤為重要[12]。冷庫內(nèi)只有保持合理的空氣流場(chǎng)，才會(huì)使冷量均勻分配，既降低了能耗，又提高了儲(chǔ)存貨物的質(zhì)量[34]。近年來，數(shù)值計(jì)算技術(shù)用于食品、制冷等實(shí)際工程中，且效果明顯，但在冷庫中的應(yīng)用較少[57]。由于不同條件對(duì)冷庫流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響不同，很難通過實(shí)驗(yàn)逐個(gè)研究，所以應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件技術(shù)將不同條件對(duì)冷庫的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，既簡(jiǎn)單方便，又省時(shí)省力[812]。俞炳豐等人[13]對(duì)空氣在冷凍箱中的流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬；H.B.Nahor等人[14]對(duì)冷庫建立了一種三維模型，并對(duì)其中的溫度、速度、濕度進(jìn)行了數(shù)值模擬和研究；M.K.Chourasia等人[1516]對(duì)不同風(fēng)速在冷庫中的影響進(jìn)行了研究，為以后冷庫的發(fā)展指明了方向；胡熊飛等人[17]對(duì)2個(gè)不同冷庫內(nèi)氣流組織模擬，發(fā)現(xiàn)在冷庫流場(chǎng)中存在一個(gè)回流區(qū)，靠近壁面的地方，主流有靠近邊界流動(dòng)的趨勢(shì)；吳天等人[18]建立了二維和三維模型，對(duì)儲(chǔ)藏果蔬的冷庫中的氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并提出了一些改善措施；余克志等人[1920]建立二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)冷庫中的貨物因其高度大小、位置不同等方面對(duì)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究。基于此，本文借助數(shù)值模擬軟件Fluent，對(duì)不同風(fēng)速進(jìn)入該冷庫所引起的溫度場(chǎng)和空氣流場(chǎng)分別進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，冷庫整體換熱效果最佳。該研究具有較好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

1冷庫數(shù)學(xué)模型

1.1建立數(shù)學(xué)模型及其簡(jiǎn)化假設(shè)

以冷庫的低溫空間為研究對(duì)象，外型尺寸為5 m×25 m×3 m的長(zhǎng)方體，風(fēng)機(jī)距地面0180 m，送風(fēng)口尺寸05 m，數(shù)目4個(gè)，出風(fēng)口為百葉窗式，距離地面1 m，寬度與4個(gè)風(fēng)機(jī)等距。為簡(jiǎn)略處理，低溫間的貨架省略，

將貨架格子簡(jiǎn)化為400 mm×400 mm×200 mm的長(zhǎng)方體，格子上下間距80 mm、左右間距100 mm、兩排貨架間距650 mm、最底層格子距地350 mm。低溫間示意圖如圖1所示。

為簡(jiǎn)化研究，假設(shè)：

1）庫體是封閉的。

2）冷庫中無貨物。

3）對(duì)冷庫內(nèi)鐵架的支撐物進(jìn)行簡(jiǎn)化。

4）冷庫內(nèi)的氣體為不可壓縮氣體且符合Boussinesq假設(shè)，除了引起流體流動(dòng)的密度差外，方程式中的其他物性參數(shù)均可當(dāng)作常數(shù)且密度差和溫度差成正比。

在Gambit中進(jìn)行建模，生成209 919個(gè)網(wǎng)格，冷庫模型圖如圖2所示。圖中大長(zhǎng)方體為冷庫，小長(zhǎng)方體為儲(chǔ)存格，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)上述模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

1.2控制方程的建立

建立湍流模型標(biāo)準(zhǔn)kε模型方程，其湍流動(dòng)能k方程為

ρkt+ρkuixi=xjμ+στσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM+Sk（1）

擴(kuò)散方程為

tρε+xiρεui=xjμ+μtσεεxj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k+Sε（2）

式中，Gk為平均速度梯度所引起的紊動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力所引起的紊動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)；YM表示可壓紊流中脈動(dòng)擴(kuò)張的波動(dòng)；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，默認(rèn)值為144，192，009；σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)，在Fluent中默認(rèn)值分別為10，13；Sk和Sε為用戶自定義項(xiàng)；μt為湍流粘度系數(shù)。ρ是流體密度；t是溫度；ui是i方向脈動(dòng)速度；xi和xj表示笛卡爾坐標(biāo)系中的i和j方向；μ是湍流粘度；στ是能量方程中的湍流普朗特?cái)?shù)；ε是紊流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率；k表示笛卡爾坐標(biāo)系中的k方向。

質(zhì)量守恒方程為

ρt+uρux+vρvy+wρwz=0（3）

動(dòng)量守恒方程為

ρuit+ρuiujxj=-pxjμ+μtuixj+ujxi+ρβgiTref-T（4）

能量守恒方程為

ρht+ρhujxj=xjλcp+μtPrthxj+Sh（5）

式中，ρ為密度，kg/m3；u、v、w為速度矢量V沿x、y、z軸的速度分量；P為壓力，Pa；μ為層流動(dòng)力粘度，kg/m·s；β為膨脹系數(shù)，1/k；Tref為參考溫度，K；T為溫度，K；h為定壓比含值；J/kg；gi為i方向的重力加速度，m/s2；Sh為熱源，W/m3；λ為熱導(dǎo)率，W/m·k；cp為定壓比熱容，J/kg·k；Prt為湍流Prandtl數(shù)。

以上的質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程可表示為通用方程，即

ρΦt+divρuφ=divΓφgradφ+Sφ（6）

式中，φ為通用變量，表示u、v、w、T待求變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

2模擬結(jié)果及分析

2.1邊界條件的設(shè)定

模擬流場(chǎng)的入口邊界條件采用速度進(jìn)口，出口邊界條件采用壓力出口，出口壓力設(shè)為大氣壓，出口溫度設(shè)為環(huán)境溫度，即P=101 325 Pa，T=300 K；風(fēng)機(jī)出口溫度為-35 ℃，冷庫初始溫度為20 ℃；送風(fēng)速度分別為1，3，5 m/s；采用非穩(wěn)態(tài)模型及k-ε湍流模型，因?yàn)閗和ε很難進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，采用紊流強(qiáng)度與特性尺寸來定義紊流，大小設(shè)為5%；由于送風(fēng)口為圓形，水力直徑定為圓的直徑，05 m。

2.2不同進(jìn)風(fēng)速度對(duì)庫中溫度的模擬及分析

當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度分別為1，3，5 m/s，冷卻時(shí)間為1 h時(shí)，將不同進(jìn)風(fēng)速度對(duì)冷庫中低溫間的影響進(jìn)行仿真模擬，切面溫度場(chǎng)變化如圖4所示。

由圖4a可以看出，當(dāng)冷卻時(shí)間為1 h，進(jìn)風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，只有低溫庫的部分區(qū)域溫度降到了-30 ℃，絕大部分溫度較高，處于淡藍(lán)色區(qū)域，貨架及貨架格子屬于金屬材質(zhì)，溫度未發(fā)生變化，處于紅色高溫區(qū)；由圖4 b可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，低溫間部分區(qū)域的溫度下降到-30 ℃以下，處于藍(lán)色區(qū)域， -20 ℃時(shí)，處于淡藍(lán)色區(qū)域；而靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架溫度下降明顯，處于0～10 ℃，顯示為黃色和橘黃色；遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架溫度下降不明顯，處于紅色高溫區(qū)域；由圖4c可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，低溫庫中的溫度絕大部分已經(jīng)下降到-30 ℃以下，只有很少一部分處于-20 ℃以上的淡藍(lán)色區(qū)域，其中越靠近壁面，溫度下降越明顯，靠近進(jìn)風(fēng)口貨架的溫度下降更明顯，處于零下區(qū)域，在圖中顯示為綠色、橘黃色、黃色，而中間區(qū)域溫度下降到10 ℃，圖中顯示為橘黃色，且最高處溫度變化不明顯，處于紅色高溫區(qū)。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度分別為1，3，5 m/s，冷卻時(shí)間為2 h時(shí)，切面溫度場(chǎng)變化如圖5所示。

由圖5a可以看出，當(dāng)冷卻時(shí)間為2 h，進(jìn)風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，低溫庫的部分區(qū)域溫度下降到-25 ℃，處于藍(lán)色區(qū)域，部分溫度降到-10～-20 ℃，處于淡藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架和貨架格子溫度明顯下降，處在5～15 ℃，顯示為橘黃色和淺紅色；而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架溫度變化緩慢，顯示為紅色高溫區(qū)；靠近墻壁的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域，溫度下降到-30 ℃以下，處于深藍(lán)色區(qū)域。由圖5b可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，低溫間絕大部分溫度下降到-25～-30 ℃，處于淡藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度下降明顯，處于-10～0 ℃，顯示綠色和黃色；而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度變化緩慢，處于0～10 ℃，顯示為橘黃色和紅色。由圖5c可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，低溫庫的溫度部分下降到-25 ℃以下，處于藍(lán)色區(qū)域；部分處于-30 ℃ ，處于深藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度最低降到-20 ℃，大部分降到-10 ℃，顯示為淡藍(lán)色、綠色、黃色，而中間區(qū)域溫度降到0 ℃，顯示為黃色；最高處溫度降到10 ℃，顯示為橘黃色和紅色。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度分別為1，3，5 m/s，冷卻時(shí)間為3 h時(shí)，切面溫度場(chǎng)變化如圖6所示。

由圖6a可以看出，當(dāng)冷卻時(shí)間為3 h，進(jìn)風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，低溫庫的溫度絕大部分降到-25 ℃以下，處于藍(lán)色區(qū)域；而靠近進(jìn)風(fēng)口的墻壁區(qū)域，溫度降到-30 ℃以下，處于深藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架及貨架格子區(qū)域溫度下降較明顯，處于0～5 ℃之間，顯示為黃色；而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度變化不明顯，處于紅色高溫區(qū)。由圖6 b可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，低溫庫的溫度絕大部分降到-30 ℃之下，處于藍(lán)色區(qū)域；而靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架及貨架格子區(qū)域溫度處于-15～-5 ℃，顯示為淺綠色和綠色；而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度變化較緩慢，處于0～5 ℃之間，顯示為黃色和橘黃色。由圖6 c可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，低溫庫的溫度絕大部分已經(jīng)降到-30 ℃以下，處于深藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架及貨架格子區(qū)域溫度大部分降到-20 ℃，處于淡藍(lán)色區(qū)域；而中間區(qū)域溫度降到-10 ℃之間，處于黃色和綠色區(qū)域，最高處溫度下降到0 ℃左右，處于黃色和橘黃色區(qū)域。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度分別為1，3，5 m/s；冷卻時(shí)間為4 h時(shí)，切面溫度場(chǎng)變化如圖7所示。

由圖7a可以看出，當(dāng)冷卻時(shí)間為4 h，進(jìn)風(fēng)速度為1 m/s時(shí)，低溫庫絕大部分溫度降到-30 ℃以下，處于藍(lán)色區(qū)域；而靠近進(jìn)風(fēng)口墻壁區(qū)域，溫度降到-30 ℃以下，靠近貨架格子處為-20 ℃，處于深藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架貨架格子區(qū)域溫度下降較明顯，處于-30 ℃到0 ℃之間，顯示為黃色、淺綠色和紅色；而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架溫度變化不明顯，處于紅色高溫區(qū)。由圖7 b可以看出，當(dāng)送風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，低溫庫的溫度全部降到-30 ℃之下，處于藍(lán)色區(qū)域；而靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架和貨架格子區(qū)域溫度處于-20～-15 ℃之間，處于淺綠色和綠色區(qū)域；而遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度處于-15～0 ℃之間，處于黃色、橘黃色、綠色區(qū)域。由圖7c可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為5 m/s時(shí)，低溫庫的溫度已經(jīng)絕大部分降到-35 ℃，處于深藍(lán)色區(qū)域；靠近進(jìn)風(fēng)口的貨架區(qū)域溫度大部分降到-30 ℃，處于藍(lán)色區(qū)域；而中間區(qū)域溫度降到-20～-10 ℃之間，顯示為淡藍(lán)色和綠色區(qū)域，最高處溫度下降到-10～0 ℃之間，顯示為黃色、橘黃色和綠色區(qū)域。

由以上分析可知，在對(duì)冷庫降溫過程中，若只考慮進(jìn)風(fēng)速度，且其它條件相同的情況下，不同的進(jìn)風(fēng)速度對(duì)冷庫的冷卻能力不一樣，而且在一定范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的提高，其降溫能力也隨之增強(qiáng)，但在冷卻時(shí)間為3 h后，風(fēng)速為3 m/s和5 m/s兩種進(jìn)風(fēng)形式，對(duì)庫體的冷卻速度差別不大。鑒于對(duì)節(jié)能和機(jī)組運(yùn)行的考慮，選用進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s較為合理，且風(fēng)速為3 m/s 時(shí)，冷庫整體換熱效果最好。

2.3進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時(shí)對(duì)庫內(nèi)速度場(chǎng)的模擬及分析

為研究不同時(shí)段冷庫中速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化和影響，以進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s的冷庫為研究對(duì)象，在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間取一段截面進(jìn)行分析，切面速度場(chǎng)壁變化如圖8所示。

由圖8可以看出，靠近進(jìn)風(fēng)口的區(qū)域，速度最大，處于2～25 m/s時(shí)，顯示為綠色區(qū)域；貨架區(qū)，離進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口近的區(qū)域速度處于1 ～15 m/s，顯示為淺藍(lán)色區(qū)域；離進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)的貨架區(qū)域由于貨架和距離的影響，風(fēng)速降低，大小在08～1 m/s之間，顯示為藍(lán)色、深藍(lán)色和淺藍(lán)色交匯區(qū)域。左側(cè)區(qū)域，由于沒有貨架的影響，風(fēng)速分布比較均勻，中心區(qū)域速度最低，大小為05 m/s，而靠近進(jìn)風(fēng)口區(qū)域，受進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口影響，風(fēng)速相對(duì)較高，大小為06～08 m/s。而最里面區(qū)域，受旁邊貨架的影響，風(fēng)速較大，大小為08 ～1 m/s，由此可以看出，貨架對(duì)速度場(chǎng)的影響較大。

3結(jié)束語

本文利用數(shù)值模擬軟件Fluent，針對(duì)不同風(fēng)速對(duì)冷庫溫度場(chǎng)和流場(chǎng)性能的影響進(jìn)行研究。當(dāng)進(jìn)入冷庫的風(fēng)速分別為1，3，5 m/s時(shí)，對(duì)冷庫所形成的影響進(jìn)行模擬和分析，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度為3 m/s時(shí)，冷庫整體換熱效果最好，風(fēng)速最為合理。在一定的速度范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，降溫能力增強(qiáng)，換熱效果好，降低到冷庫所需溫度的時(shí)間減少，但超出該范圍，制冷效果并不明顯。該模擬結(jié)果對(duì)低溫冷庫的研發(fā)具有指導(dǎo)作用，具有一定的創(chuàng)新性和工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但在模擬過程中存在許多假設(shè)，未考慮冷庫中貨物或貨架對(duì)流場(chǎng)的影響，接下來的研究方向是為了符合實(shí)際需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯毅， 謝晶， 王金鋒， 等. 我國冷庫發(fā)展現(xiàn)狀及節(jié)能趨勢(shì)[J]. 制冷空調(diào)工程技術(shù)， 2011， 2（3）： 36.

[2]王斌， 李曉虎， 葉尉南. 大型裝配式冷庫概述[J]. 冷藏技術(shù)， 2009（4）： 2031.

[3]荊有印， 王長(zhǎng)海， 丁桂艷， 等. 旋轉(zhuǎn)氣流及貨物對(duì)冷庫流場(chǎng)影響的研究[J]. 冷藏技術(shù)， 2008（4）： 3437.

[4]王劍鋒， 胡熊飛， 劉楚蕓， 等. 冷庫凍結(jié)間氣體流場(chǎng)模擬[J]. 冷藏技術(shù)， 1995（4）： 717.

[5]Scott G， Richardson P. The Application of Computation Fluid Dynamics in the Food Industry [J]. Trends in food Science and Technology， 1997， 8（4）： 119124.

[6]Cotella G， Manzan M， Comini G. CFD Simulation of Refrigerated Display Cabinets [J]. International Journal of Refrigeration， 2001， 24（3）： 250260.

[7]Wang H， Touger S. Distributed Dynamic Modelling of a Refrigerated Room [J]. International Journal of Refrigeration， 1990， 13（4）： 214222.

[8]韓占忠， 王敬， 蘭小平. FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社， 2004.

[9]湯毅. 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)用于冷庫氣流優(yōu)化的研究[D]. 上海： 上海海洋大學(xué)， 2013.

[10]瞿曉華， 謝晶， 徐世瓊. 計(jì)算流體力學(xué)在制冷工程中的應(yīng)用[ J]. 制冷學(xué)報(bào)， 2003， 22（1）： 1522.

[11]王福軍. 計(jì)算流體力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004.

[12]陶建興， 楊亞東， 孫慶寬. CFD仿真技術(shù)在空調(diào)房間溫度場(chǎng)研究中的應(yīng)用[J]. 暖通空調(diào)， 2002， 32（2）： 9598.

[13]俞炳豐， 馮鍵. 冷凍箱內(nèi)溫度場(chǎng)速度場(chǎng)的模擬計(jì)算[J]. 制冷學(xué)報(bào)， 1995， 1（1）： 5158.

[14]Javanmard M，Rokni N， Bokaie S， et al. Effects of Gamma Irradiation and Frozen Storage on Microbial， Chemical and Sensory Quality of Chicken Meat in Iran[J]. Food Control， 2006， 17（6）： 469473.

[15]Chourasia M K ， Goswam T K. Steady state CFD Modeling of AirFlow， Heat Transfer and Moisture Loss in a Commercial Potato Cold Store [J]. International Journal of Refrigeration， 2007， 30（4）： 672689.

[16]Chourasia M K， Goswam T K. Simulation of Effect of Stack Dimensions and Stacking Arrangement on CoolDown Characteristics of Potato in a Cold Store by Computational Fluid Dynamics [J]. Biosystems Engineering， 2007， 96（4）： 503515.

[17]胡熊飛， 劉楚蕓， 王劍鋒， 等. 冷庫凍結(jié)過程氣體流場(chǎng)與節(jié)能研究[J]. 制冷學(xué)報(bào)， 1995（2）： 410.

[18]吳天， 謝晶. 果品冷藏庫氣體流場(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 流體機(jī)械， 2006， 34（6）： 912.

[19]余克志， 陳天及. 貨物對(duì)小型冷庫流場(chǎng)和溫度場(chǎng)影響的數(shù)值研究[J]. 冷藏技術(shù)， 2001（1）： 18.

[20]楊世銘， 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 3版. 北京： 高等教育出版社， 1998.