不同風速對冷庫溫度場和流場性能影響的研究

尹義金　李金偉

摘要： 為了使冷庫內溫度場均勻，本文基于數值模擬軟件Fluent，對不同風速進入冷庫所形成的空氣流場及其對溫度場的影響進行了數值模擬。當進入冷庫的風速分別為1，3，5 m/s時，對冷庫的影響情況進行模擬和分析。分析結果表明，在一定速度范圍內，隨著風速的增加，降溫能力增強，換熱效果好，降低到冷庫所需溫度的時間減少，但超出該范圍，制冷效果并不明顯。通過對3種情況的研究表明，當進風口風速為3 m/s時，該冷庫整體換熱效果最好，最為節能。該研究具有一定的創新性和實際應用價值。

關鍵詞： 冷庫； 數值模擬； 空氣流場； 溫度場

中圖分類號： TB69. TB657文獻標識碼： A

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對冷鮮食品的質量要求越來越高，因此冷庫在食物儲藏、運輸和保鮮中的作用尤為重要[12]。冷庫內只有保持合理的空氣流場，才會使冷量均勻分配，既降低了能耗，又提高了儲存貨物的質量[34]。近年來，數值計算技術用于食品、制冷等實際工程中，且效果明顯，但在冷庫中的應用較少[57]。由于不同條件對冷庫流場和溫度場的影響不同，很難通過實驗逐個研究，所以應用計算流體力學數值模擬軟件技術將不同條件對冷庫的影響進行數值模擬，既簡單方便，又省時省力[812]。俞炳豐等人[13]對空氣在冷凍箱中的流動情況進行了數值模擬；H.B.Nahor等人[14]對冷庫建立了一種三維模型，并對其中的溫度、速度、濕度進行了數值模擬和研究；M.K.Chourasia等人[1516]對不同風速在冷庫中的影響進行了研究，為以后冷庫的發展指明了方向；胡熊飛等人[17]對2個不同冷庫內氣流組織模擬，發現在冷庫流場中存在一個回流區，靠近壁面的地方，主流有靠近邊界流動的趨勢；吳天等人[18]建立了二維和三維模型，對儲藏果蔬的冷庫中的氣流流場進行模擬，并提出了一些改善措施；余克志等人[1920]建立二維數學模型，對冷庫中的貨物因其高度大小、位置不同等方面對溫度場和氣流場的影響進行了研究。基于此，本文借助數值模擬軟件Fluent，對不同風速進入該冷庫所引起的溫度場和空氣流場分別進行研究。結果表明，當進風速度為3 m/s時，冷庫整體換熱效果最佳。該研究具有較好的節能性和經濟性。

1冷庫數學模型

1.1建立數學模型及其簡化假設

以冷庫的低溫空間為研究對象，外型尺寸為5 m×25 m×3 m的長方體，風機距地面0180 m，送風口尺寸05 m，數目4個，出風口為百葉窗式，距離地面1 m，寬度與4個風機等距。為簡略處理，低溫間的貨架省略，

將貨架格子簡化為400 mm×400 mm×200 mm的長方體，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。

為簡化研究，假設：

1）庫體是封閉的。

2）冷庫中無貨物。

3）對冷庫內鐵架的支撐物進行簡化。

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

在Gambit中進行建模，生成209 919個網格，冷庫模型圖如圖2所示。圖中大長方體為冷庫，小長方體為儲存格，將網格文件導入Fluent軟件進行數值模擬。對上述模型進行網格劃分，網格劃分示意圖如圖3所示。

1.2控制方程的建立

建立湍流模型標準kε模型方程，其湍流動能k方程為

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

擴散方程為

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能k產生項；Gb為浮力所引起的紊動能k產生項；YM表示可壓紊流中脈動擴張的波動；C1ε，C2ε，C3ε為經驗常數，默認值為144，192，009；σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特數，在Fluent中默認值分別為10，13；Sk和Sε為用戶自定義項；μt為湍流粘度系數。ρ是流體密度；t是溫度；ui是i方向脈動速度；xi和xj表示笛卡爾坐標系中的i和j方向；μ是湍流粘度；στ是能量方程中的湍流普朗特數；ε是紊流脈動動能的耗散率；k表示笛卡爾坐標系中的k方向。

質量守恒方程為

ρt+uρux+vρvy+wρwz=0（3）

動量守恒方程為

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為層流動力粘度，kg/m·s；β為膨脹系數，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為熱導率，W/m·k；cp為定壓比熱容，J/kg·k；Prt為湍流Prandtl數。

以上的質量方程、動量方程、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為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項。

2模擬結果及分析

2.1邊界條件的設定

模擬流場的入口邊界條件采用速度進口，出口邊界條件采用壓力出口，出口壓力設為大氣壓，出口溫度設為環境溫度，即P=101 325 Pa，T=300 K；風機出口溫度為-35 ℃，冷庫初始溫度為20 ℃；送風速度分別為1，3，5 m/s；采用非穩態模型及k-ε湍流模型，因為k和ε很難進行測量和計算，采用紊流強度與特性尺寸來定義紊流，大小設為5%；由于送風口為圓形，水力直徑定為圓的直徑，05 m。

2.2不同進風速度對庫中溫度的模擬及分析

當進風速度分別為1，3，5 m/s，冷卻時間為1 h時，將不同進風速度對冷庫中低溫間的影響進行仿真模擬，切面溫度場變化如圖4所示。

由圖4a可以看出，當冷卻時間為1 h，進風速度為1 m/s時，只有低溫庫的部分區域溫度降到了-30 ℃，絕大部分溫度較高，處于淡藍色區域，貨架及貨架格子屬于金屬材質，溫度未發生變化，處于紅色高溫區；由圖4 b可以看出，當進風速度為3 m/s時，低溫間部分區域的溫度下降到-30 ℃以下，處于藍色區域， -20 ℃時，處于淡藍色區域；而靠近進風口的貨架溫度下降明顯，處于0～10 ℃，顯示為黃色和橘黃色；遠離進風口的貨架溫度下降不明顯，處于紅色高溫區域；由圖4c可以看出，當進風速度為5 m/s時，低溫庫中的溫度絕大部分已經下降到-30 ℃以下，只有很少一部分處于-20 ℃以上的淡藍色區域，其中越靠近壁面，溫度下降越明顯，靠近進風口貨架的溫度下降更明顯，處于零下區域，在圖中顯示為綠色、橘黃色、黃色，而中間區域溫度下降到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。

當進風速度分別為1，3，5 m/s，冷卻時間為2 h時，切面溫度場變化如圖5所示。

由圖5a可以看出，當冷卻時間為2 h，進風速度為1 m/s時，低溫庫的部分區域溫度下降到-25 ℃，處于藍色區域，部分溫度降到-10～-20 ℃，處于淡藍色區域；靠近進風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；而遠離進風口的貨架溫度變化緩慢，顯示為紅色高溫區；靠近墻壁的進風口區域，溫度下降到-30 ℃以下，處于深藍色區域。由圖5b可以看出，當進風速度為3 m/s時，低溫間絕大部分溫度下降到-25～-30 ℃，處于淡藍色區域；靠近進風口的貨架區域溫度下降明顯，處于-10～0 ℃，顯示綠色和黃色；而遠離進風口的貨架區域溫度變化緩慢，處于0～10 ℃，顯示為橘黃色和紅色。由圖5c可以看出，當進風速度為5 m/s時，低溫庫的溫度部分下降到-25 ℃以下，處于藍色區域；部分處于-30 ℃ ，處于深藍色區域；靠近進風口的貨架區域溫度最低降到-20 ℃，大部分降到-10 ℃，顯示為淡藍色、綠色、黃色，而中間區域溫度降到0 ℃，顯示為黃色；最高處溫度降到10 ℃，顯示為橘黃色和紅色。

當進風速度分別為1，3，5 m/s，冷卻時間為3 h時，切面溫度場變化如圖6所示。

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

當進風速度分別為1，3，5 m/s；冷卻時間為4 h時，切面溫度場變化如圖7所示。

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

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

2.3進風速度為3 m/s時對庫內速度場的模擬及分析

為研究不同時段冷庫中速度場和壓力場的變化和影響，以進風速度為3 m/s的冷庫為研究對象，在進風口和出風口之間取一段截面進行分析，切面速度場壁變化如圖8所示。

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

3結束語

本文利用數值模擬軟件Fluent，針對不同風速對冷庫溫度場和流場性能的影響進行研究。當進入冷庫的風速分別為1，3，5 m/s時，對冷庫所形成的影響進行模擬和分析，結果表明，當進風速度為3 m/s時，冷庫整體換熱效果最好，風速最為合理。在一定的速度范圍內，隨著風速的增加，降溫能力增強，換熱效果好，降低到冷庫所需溫度的時間減少，但超出該范圍，制冷效果并不明顯。該模擬結果對低溫冷庫的研發具有指導作用，具有一定的創新性和工程實際應用價值。但在模擬過程中存在許多假設，未考慮冷庫中貨物或貨架對流場的影響，接下來的研究方向是為了符合實際需要對模型進行優化分析。

參考文獻：

[1]湯毅， 謝晶， 王金鋒， 等. 我國冷庫發展現狀及節能趨勢[J]. 制冷空調工程技術， 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， 2009（4）： 2031.

[3]荊有印， 王長海， 丁桂艷， 等. 旋轉氣流及貨物對冷庫流場影響的研究[J]. 冷藏技術， 2008（4）： 3437.

[4]王劍鋒， 胡熊飛， 劉楚蕓， 等. 冷庫凍結間氣體流場模擬[J]. 冷藏技術， 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流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2004.

[9]湯毅. 計算流體力學（CFD）技術用于冷庫氣流優化的研究[D]. 上海： 上海海洋大學， 2013.

[10]瞿曉華， 謝晶， 徐世瓊. 計算流體力學在制冷工程中的應用[ J]. 制冷學報， 2003， 22（1）： 1522.

[11]王福軍. 計算流體力學分析CFD軟件原理與應用[M]. 北京： 清華大學出版社， 2004.

[12]陶建興， 楊亞東， 孫慶寬. CFD仿真技術在空調房間溫度場研究中的應用[J]. 暖通空調， 2002， 32（2）： 9598.

[13]俞炳豐， 馮鍵. 冷凍箱內溫度場速度場的模擬計算[J]. 制冷學報， 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. 冷庫凍結過程氣體流場與節能研究[J]. 制冷學報， 1995（2）： 410.

[18]吳天， 謝晶. 果品冷藏庫氣體流場模擬及實驗研究[J]. 流體機械， 2006， 34（6）： 912.

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

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