對(duì)大型立體庫(kù)下吹風(fēng)方式的三維CFD模擬

周 丹

［松下壓縮機(jī)(大連)有限公司，遼寧 大連 116033］

0 引言

冷庫(kù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)冷庫(kù)的容量達(dá)到900萬(wàn)t，并且還在呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。冷庫(kù)溫度與流場(chǎng)分布情況對(duì)儲(chǔ)存的貨物品質(zhì)有著決定性的影響，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬冷庫(kù)中的溫度和流場(chǎng)成為可能，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者在這方面做了嘗試。吳天和謝晶對(duì)蘋(píng)果冷藏庫(kù)的氣體流場(chǎng)研究采用了實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)值模擬方法，證實(shí)了CFD對(duì)冷藏庫(kù)氣體流場(chǎng)研究的有效性［1］。何媛與南曉紅對(duì)冷庫(kù)門(mén)口只在熱壓作用下的冷風(fēng)滲透率進(jìn)行了三維CFD模擬，模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的偏差約為5%［2］;MK Chourasia和T K Goswami采用多空介質(zhì)模型，對(duì)土豆冷藏庫(kù)在穩(wěn)態(tài)條件下的流場(chǎng)、傳熱和貨物的水分耗散率進(jìn)行了數(shù)值模擬［3］;胡耀華等采用CFD研究了風(fēng)機(jī)出風(fēng)速度和貨物擺放方式對(duì)小型冷庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)和溫度的影響［4］;湯毅模擬了風(fēng)機(jī)不同擺放位置對(duì)冷庫(kù)流場(chǎng)的影響［5］。

但是，以上的研究工作集中在小型冷庫(kù)冷風(fēng)機(jī)側(cè)吹的條件下，隨著現(xiàn)代冷庫(kù)的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)的大型立體冷庫(kù)，因?yàn)榱Ⅲw庫(kù)高度一般為18～25m［6］，為冷風(fēng)機(jī)向下吹風(fēng)提供了條件。但目前對(duì)冷庫(kù)采用下吹風(fēng)方式的氣體流場(chǎng)研究很少，本文就立體庫(kù)冷風(fēng)機(jī)的下吹風(fēng)方式，研究其在立體庫(kù)中對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布影響。

1 物理模型

如圖1和圖2所示，立體庫(kù)尺寸為長(zhǎng)×寬×高=114×18×25 m，6臺(tái)風(fēng)機(jī)均勻擺在庫(kù)體的長(zhǎng)邊方向，風(fēng)機(jī)尺寸為5.4 ×2.2 ×1.6 m，每個(gè)風(fēng)機(jī)有三個(gè)出風(fēng)口，風(fēng)扇直徑為0.8 m，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為69 000 m3/h。風(fēng)機(jī)距離墻面為0.5 m，回風(fēng)口在長(zhǎng)邊的側(cè)面上，回風(fēng)口尺寸為5.4×1.6 m。冷庫(kù)頂板和四周為150 mm的硬質(zhì)聚氨酯保溫夾芯板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.031 W/(m·℃)，冷庫(kù)地面為200 mm厚的XPS，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·℃)。

圖1 立體庫(kù)冷風(fēng)機(jī)平面布置圖Fig.1 Plane sketchmap of the aircoolers in the solid cold store

圖2 立體庫(kù)冷風(fēng)機(jī)布置立面圖Fig.2 Elevation sketch map of the aircoolers in the solid cold store

2 計(jì)算條件

因?yàn)檎麄€(gè)立體庫(kù)在長(zhǎng)度方向上對(duì)稱(chēng)，并且風(fēng)機(jī)的擺放也是對(duì)稱(chēng)的，所以本文為了節(jié)省計(jì)算儲(chǔ)存量，只計(jì)算沿長(zhǎng)度方向的右半部分。如圖3所示。

2.1 基本假設(shè)

1.冷庫(kù)內(nèi)空氣不可壓縮，密度符合Boussinesq假設(shè)［7］;

2.冷庫(kù)的貨架對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的干擾忽略不計(jì);

3.冷庫(kù)內(nèi)外參數(shù)處于穩(wěn)態(tài)。

2.2 邊界條件

Boussinesq假設(shè)的溫度基準(zhǔn)為255.18 K(－18℃)，密度為 1.38 kg/m3，溫 度膨脹系數(shù) 為0.0039。

邊界條件設(shè)置:風(fēng)機(jī)的出口采用入口邊界條件，通過(guò)風(fēng)量可計(jì)算得到風(fēng)機(jī)的出口流速為12.7 m/s，出風(fēng)溫度設(shè)定為255.15 K(－18℃)。風(fēng)機(jī)的回風(fēng)口采用壓力入口邊界條件，設(shè)定壓力的0 Pa，回流溫度為255.15 K。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)出口的雷諾數(shù)Re約為7.8×105，本文風(fēng)機(jī)出口的湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，水利直徑為0.8 m。冷庫(kù)左側(cè)面為對(duì)稱(chēng)面，冷庫(kù)頂板、地坪和其余三個(gè)側(cè)面為固壁邊界。溫度條件為第三類(lèi)邊界條件，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范［8］，冷庫(kù)外表面的換熱系數(shù)為23 W/(m2·℃)，而架空地面外表面的換熱系數(shù)為8 W/(m2·℃)，所以冷庫(kù)頂板和三個(gè)側(cè)面的綜合對(duì)流換熱系數(shù)公式為:

求得 h=0.205 W/(m2·℃)。

同理可以求得地面的綜合換熱系數(shù)0.176 W/(m2·℃)。

網(wǎng)格劃分:本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，風(fēng)機(jī)出口處網(wǎng)格尺寸為0.25 m，其余位置為0.4 m，使用網(wǎng)格劃分軟件Gambit一共生成了約71.6萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，如圖4所示。

本文計(jì)算采用FLUENT 6.2.16軟件，速度壓力耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流格式為一階迎風(fēng)格式，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。

圖3 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.3 Sketchmap of the computational domain

圖4 計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.4 Sketch map of the computational gri

3 結(jié)果與分析

因?yàn)槔滹L(fēng)機(jī)直接向下吹風(fēng)，冷空氣首先進(jìn)入的是冷庫(kù)的下層，這對(duì)貨物儲(chǔ)存需要低溫環(huán)境的要求一致，而冷庫(kù)頂部的溫度要高于底部的溫度，在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)邊線上的溫度是最高的。

為了更詳細(xì)的觀察冷庫(kù)內(nèi)部的溫度和流場(chǎng)的分布，筆者選擇了每個(gè)方向上的中心面作為分析對(duì)象。從圖5、圖7、圖9溫度分布可以可出看，冷庫(kù)內(nèi)部主流區(qū)的溫度差較小，最大的溫差只有0.3℃，每個(gè)面的最高溫度出現(xiàn)在壁面附近，在冷風(fēng)機(jī)正下方的溫度明顯低于周?chē)諝鉁囟龋S著高度衰減，溫度升高，如圖7。最高溫度出現(xiàn)在冷庫(kù)y方向側(cè)面和遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的頂部，這幾個(gè)地方接受外面的熱量大而內(nèi)壁附近的流速相對(duì)低。在x軸方向中心面處，出現(xiàn)了三處較大的垂直向上的速度，剛好分布于風(fēng)機(jī)之間的間隙處，如圖7所示，兩邊則出現(xiàn)了小渦流。如圖9所示，y方向中心面出現(xiàn)了一個(gè)大渦，位置為風(fēng)機(jī)對(duì)角線的右下角。在z=0.6 m的附近具有1.67 m/s的流速，并且從圖中明顯可以看出，地面附近的流速高于頂棚附近的流速。在z軸方向的中心面上，除了風(fēng)機(jī)附近的流速較大之外，其余區(qū)域里的流速較小。在這個(gè)面上，還出現(xiàn)了三個(gè)－x軸的引射流，引射流左右兩邊出現(xiàn)了渦流，如圖10所示。

圖5 x軸方向中心面溫度分布Fig.5 Temperature distribution on the central cross-section in x direction

圖6 x軸方向中心面速度分布Fig.6 Velocity distribution on the central cross-section in x direction

圖7 y軸方向中心面溫度分布Fig.7 Temperature distribution on the central cross-section in y direction

圖8 y軸方向中心面速度分布Fig.8 Velocity distribution on the central cross-section in x direction

圖9 z軸方向中心面溫度分布Fig.9 Temperature distribution on the central cross-section in z direction

圖10 z軸方向中心面速度分布Fig.10 Velocity distribution on the central cross-section in z direction

為了探究冷風(fēng)機(jī)的出風(fēng)速度對(duì)冷庫(kù)溫度的影響，選擇了出風(fēng)速度分別為 10.7 m/s、8.7 m/s、6.7 m/s和4.7 m/s的速度，其結(jié)果如圖 11、12、13 和圖14。

圖11 z軸方向中心面溫度分布(出風(fēng)速度10.7m/s)Fig.11 Temperature distribution on the central cross-section in z direction(outlet velocity is 10.7 m/s)

圖12 z軸方向中心面溫度分布(出風(fēng)速度8.7m/s)Fig.12 Temperature distribution on the central cross-section in z direction(outlet velocity is 8.7 m/s)

圖13 z軸方向中心面溫度分布(出風(fēng)速度6.7m/s)Fig.13 Temperature distribution on the central cross-section in z direction(outlet velocity is 6.7 m/s)

圖14 z軸方向中心面溫度分布(出風(fēng)速度4.7m/s)Fig.14 Temperature distribution on the central cross-section in z direction(outlet velocity is 4.7 m/s)

從圖上可以得出，冷庫(kù)的平均溫度隨出風(fēng)速度下降而升高，幾乎是呈線性變化，速度每降低2 m/s，冷庫(kù)溫度升高約0.15℃，如圖15所示。但是從冷庫(kù)的溫度均勻性看，庫(kù)溫主流區(qū)的溫差都很接近，說(shuō)明在速度4.7 m/s到12.7 m/s的范圍內(nèi)，庫(kù)溫的不均勻性變化小。

圖15 冷庫(kù)平均溫度隨出風(fēng)溫度變化情況Fig.15 The overall temperature of cold store with different outlet temperature

4 結(jié)論

本文基于FLUENT平臺(tái)，對(duì)大型立體冷庫(kù)采用下吹風(fēng)方式展開(kāi)了數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果表明:

1.在大風(fēng)量工況下，冷庫(kù)的溫度較為均勻，溫差僅為0.3℃，出現(xiàn)在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的墻角附近;

2.在y軸方向中心面，一個(gè)大渦流出現(xiàn)在冷風(fēng)機(jī)斜對(duì)角線的右下角;

3.冷庫(kù)地面附近的流速高于冷庫(kù)頂棚附近的流速;

4.在z軸方向上的中心面上，出現(xiàn)了與風(fēng)機(jī)位置對(duì)應(yīng)的引射流，引射流兩邊出現(xiàn)渦流;

5.風(fēng)機(jī)出口流速?gòu)?12.7 m/s減小到 4.7 m/s，冷庫(kù)主流區(qū)的溫度隨出風(fēng)溫度的減小而升高，但是庫(kù)溫的不均勻性變化不明顯。

［1］吳天，謝晶.果品冷藏庫(kù)氣體流場(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)研究［C］∥上海市制冷學(xué)會(huì)二〇〇五年學(xué)術(shù)年會(huì).上海:上海市制冷學(xué)會(huì)，2006.

［2］何媛，南曉紅.三維CFD模型預(yù)測(cè)熱壓作用下冷庫(kù)門(mén)的冷風(fēng)滲透率［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(6):26-30.

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［4］胡耀華，蔣國(guó)振，熊來(lái)怡.獼猴桃冷庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(5):155-159.

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

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