CFD在冷鏈保鮮設備中的應用

宋銳

（山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101）

改革開放30年來，我國從一個食品匱乏的國家發展為食品生產大國。但是在食品產業發展的同時，我國食品冷藏鏈研究滯后，在技術、設備、行業標準和系統管理水平等方面均與西方發達國家存在一定的差距[1]。以綠色果蔬為例，2012年我國果蔬冷鏈流通率僅為5%，采后損失率為25%～30%，經濟損失高達1000億元[2]。故而加強食品的冷鏈物流技術是保證食品品質的關鍵。

食品冷藏鏈是指易腐食品從產地收購或捕撈之后，在產品貯藏、加工、運輸、分銷和零售，直到消費者手中的各個環節始終處于產品所需的低溫環境下[3,4]。在眾多的冷卻方法中，空氣冷卻的方式由于技術成熟、價格低廉、操作簡單等優點成為冷鏈保鮮設備的重要冷卻方法，故而冷鏈設備內部流體合適的速度與溫度分布是保障食品儲運品質的關鍵因素之一[4,5]。但是通過求解微分方程的方式得到溫度與速度分布的解析解或者通過實驗測量數據了解速度與溫度的分布情況，既浪費了精力，又浪費了金錢[6]。近些年，計算流體力學（Computational fluid dynamics，CFD）由于其強大的模擬能力，可以較為準確地計算出冷鏈設備內部空氣流動類型、壓力損失以及傳熱、傳質現象，從而準確獲取在一定外部條件下食品冷卻降溫效果[7,8]，成為優化設計食品冷鏈設備的新途徑。

1 CFD的基本理論

根據流體力學的基本知識，自然界內的流動傳熱現象都可以通過連續性方程（質量守恒方程）、動量守恒方程（N-S方程）及能量守恒方程來求解。同時，流體在實際對流換熱過程中多為湍流流動，故而仍需求解湍流方程（k-ε與k-ω方程[9]）。從根本上講，CFD模擬的實質是通過建模使流體力學基本的方程組封閉進行求解的過程[10]。在得到計算結果后，還可以通過后處理技術使計算結果可視化，進而揭示食品冷鏈儲運設備內流場的性質，為冷鏈設備結構設計與優化提供理論基礎。

2 CFD在冷鏈保鮮設備上的應用

2.1 在預冷設備中的應用

果蔬采收后如果不及時處理，常溫下極易腐敗變質。采用預冷措施快速降低果蔬的田間熱，對于保持果蔬的新鮮品質非常重要[11,12]。而送風參數（速度、溫度、方向）、包裝箱箱體結構、果蔬擺放方式對果蔬的預冷速度有重要的影響，因而針對以上問題，諸多學者利用CFD技術進行了相關研究。

Dehghannya等[13]利用CFD將多孔介質理論運用到果蔬預冷上，建立了壓差預冷數學模型，采用有限元的方式進行計算，這對于果蔬壓差預冷的數值模擬具有指導作用。Pathare PB等[14]通過實驗與CFD模擬的論證得出，當包裝箱與內部果品水力直徑之比小于10時，包裝內部局部非均勻的空氣流動對其內部傳熱傳質現象會有較大的影響。他提出在利用多孔介質模型進行冷鏈物流的CFD模擬時要注意其適用范圍。Chau等[15]建立了考慮蒸發效應、呼吸散熱以及果蔬輻射散熱的單體球型果蔬在差壓預冷過程中的傳熱傳質CFD數學模型，并采用有限差分法進行求解。王貴強等[16]將CFD、自然對流和輻射換熱經驗公式與傅里葉導熱公式分別計算食品的表面傳熱系數、食品與包裝材料之間的空氣層內的傳熱過程與食品內部的傳熱過程，并通過迭代的計算方式將三者結合。結果表明，相對于傳統的空氣層熱阻處理方式，該模型能夠獲得更加準確的計算結果，與實驗結果吻合較好。

王強等[17]建立了黃金梨預冷仿真模型，利用CFD軟件，對包裝箱內直排和叉排兩種擺放形式黃金梨預冷過程進行了模擬。結果表明，叉排相對于直排，能將預冷時間縮短10%～12%。王強[18]通過葡萄的差壓通風預冷實驗與CFD模擬得出，開孔面積主要影響果蔬的縱向溫度分布，風口的流速主要影響溫度的橫向分布。因而，要提高葡萄預冷的冷卻速度和冷卻均勻性必須合理地選擇壓差以及預冷包裝箱開孔面積。之后，通過進一步研究指出，從預冷速度、冷卻均勻性以及包裝的角度、預冷后葡萄的回溫速度、差壓風機功率的大小、干耗等因素綜合考慮，對于紙質葡萄包裝箱，開孔直徑最好在28mm左右，開孔率保持在15%～20%為宜[19]。

2.2 在冷藏車中的應用

冷藏車是指用來運輸冷凍或保鮮貨物的封閉式廂式運輸車，內部裝有制冷機組的制冷裝置和聚氨酯隔熱層。可以利用CFD對冷藏車內溫度場分布規律進行不同條件的數值模擬，能夠克服傳統理論分析法在對象簡化和計算求解方面的不足，突破試驗過程人力物力消耗以及試驗周期長等諸多限制[20]，達到較好的冷藏運輸效果。

Chourasia等[21]利用CFD軟件模擬貨物不同寬高比及貨物堆棧之間不同間隙時所需要的冷卻時間，由此來確定最佳貨物寬高比和垂直水平間隙。張哲等[21]采用CFD軟件Fluent計算空載車箱內部溫度場，并分析不同堆碼方式對貨物區溫度場及流場的影響。結果表明采用緊密堆放方式時斷面平均溫度為-11℃，而間隔堆放時的斷面平均溫度為-11.5℃，兩種堆碼方式的斷面平均溫度較為接近，但間隔堆放時貨物中間的間距有利于氣流的均勻分布，并能加快冷板冷藏車冷卻速度。陳煥新等[23]以冷板冷藏車作為研究對象，發現在冷藏車廂體壁面附近處碼放的貨物溫度最高，且間距越大，貨物溫度分布越均勻。故而食品在冷藏車內碼垛時一定要與車壁保持一定間距。郭嘉明等[24]通過對冷藏車廂體果蔬擺放的中間及兩側留空、兩側留空、一體碼垛三種食品碼垛方式的模型進行數值計算，結果表明中間及兩側留空的碼垛方式最佳，溫度分布較為均勻。韓佳偉等[25]建立了冷藏車車廂溫度場分布計算模型。分析結果表明，制冷溫度為3℃，制冷時間和關閉制冷風機階段都為10min，與制冷溫度為0℃，制冷時間15min和關閉制冷風機為20min兩種制冷模式下能耗進行比較，第一種方式比第二種方式能節約3.6×105J的能耗。趙鑫鑫等[26]建立多溫區冷藏車的傳熱模型，利用CFD軟件研究回風導軌對車廂內溫度場分布均勻性的影響規律，并進行實驗驗證。結果表明：回風導軌的布置能夠有效改善車廂內的溫度分布，且對冷藏區的影響相比常溫區稍高。在載貨狀態下，導軌高度與溫度不均勻系數近似呈正比例線性分布。張婭妮等[27－29]針對風道布局、送風速度等影響因素，利用CFD軟件，建立冷藏車廂的三維湍流模型并進行模擬計算。研究表明：冷風機緊貼頂部時，冷風會在冷藏車車廂內形成貼壁射流，一方面可以隔絕外部熱量，另一方面也更容易將氣流送到車廂尾部。同時，適當增加向后引導氣流的通風管道，冷空氣在車廂的分布均勻，并降低車廂前部的氣流強度。

2.3 在冷庫中的應用

冷庫是食品冷鏈中最重要設施之一，其主要的用途是食品儲藏。同時，食品的預冷也多依托于冷庫進行。然而由于冷庫的儲藏量大、存儲周期長，其內部貨物易出現溫度分布不均勻，這些缺點嚴重影響了食品的質量安全。故而利用CFD對冷庫內的流場進行研究，優化其送風形式、貨物碼垛、以及冷庫空氣幕，可以提高冷庫的貯藏質量。

Son H.Ho等[30]分別建立了三維完整模型并通過CFD模擬，發現送風風速越大、制冷源安裝位置越低、離貨物越近，庫內的溫度場越均勻。謝晶等[31]通過對小型裝配式冷庫進行CFD模擬與實驗研究，得到冷庫的空氣流動主要是貼附邊界流動，同時在整個冷庫的流場中存在著一個中心大回流區。芮文琴等[32]通過對裝配式冷庫內冷風機擺放的位置進行CFD模擬研究，得到冷風機布置在冷庫寬度方向一側比布置在長度方向一側庫內流場均勻，但其對冷風機直吹的冷庫墻體的影響較大。故而提出了在冷庫墻角安裝圓形擋板的方法來改善冷空氣在冷庫墻角附近的流動情況。孫海亭[33]通過Fluent軟件，對冷庫蘋果貯藏進行了數值模擬并進行實驗驗證，結果表明：模擬數值與實測數值的變化趨勢一致，相關系數達到0.921，表明應用計算流體動力學軟件Fluent對庫內氣流組織具有可靠性。同時其還對冷庫內不同的碼垛方式進行了模擬分析，得出庫內蘋果箱較合理的堆碼方式為：貨垛距墻≥0.50m，垛間距離≥0.50m，垛底墊木高度≥0.09m，貨垛距冷風機≥2.00m，貨垛距庫底≥0.50m，庫內通道≥1.00m。垛高不能超過冷風機的出風口[34]。南曉紅等[34]建立了冷庫的數學模型，并對熱壓作用下冷庫大門處的氣體流動、壓力變化以及冷庫內溫度場變化進行CFD模擬。結果表明：隨著出風口速度的減小，中和面的位置逐漸下移，在速度為2m/s的條件下約位于大門1/2處。同時其將CFD計算結果與穿過冷庫大門空氣滲透速率的幾種經驗公式進行對比，得到了模擬與經驗公式的偏差在19%以內。

3 CFD在冷鏈方面應用的發展趨勢

CFD具有諸多優勢，被廣泛應用于食品冷鏈行業中，但其目前仍存在一些需要注意的地方，主要體現在以下幾個方面。

（1）盡可能地使模型及物性參數的設置更貼近實際情況。冷鏈設備內部的流動傳熱情況受外界影響相對較大，同時，食品與換熱介質在降溫過程中其物性參數也在不斷的改變。因而盡可能多地考慮外界因素，精確食品與換熱介質的熱物性參數成為合理提高CFD模擬精度的重要因素。

（2）明確合適的求解模型。目前CFD軟件中會提供多種計算模型，以Fluent軟件為例，常用的湍流模型包括兩大類，即k-ε[22-24]與k-ω[25,36]，兩者均廣泛運用于食品冷鏈的數值模擬中，但兩者具體的適用情況，目前沒有相對明確的界定。故而選擇合適的求解方式也是影響CFD模擬精度的重點。

（3）提高網格質量。網格的劃分與計算的精度息息相關，目前，網格的劃分質量要求沒有統一的標準，不同研究模型的網格質量要求不一樣。同時網格數量的劃分也沒有統一的標準，雖然諸多學者在進行CFD模擬時多進行網格無關性驗證，但關于無關性的要求仍沒有一個具體的數值。

（4）不斷修正，多次求解，并進行實驗驗證。網格質量、計算模型、物性參數、邊界條件均會對計算結果造成影響。因而模擬結果要經過實驗驗證，并不斷修正參數，這樣模擬結果才能更接近實際。