風機參數對立體冷庫氣流組織影響的數值模擬

張洪一　曹亞超　崔海亭

摘 要：為使立體冷庫溫度場更加均勻，研究立體庫氣流組織不同工況下的變化規律。利用FLUENT軟件分別對冷風機送風速度在3.7～15.7 m/s、送風溫度在240～248 K以及6種擺放位置下立體庫內氣流流動與傳熱過程進行數值模擬，并據此探析立體庫氣流組織特征分布及冷卻性能指標。結果表明，風速對立體冷庫性能影響顯著，預冷時間隨風速增加呈指數減小，溫度場分布更均勻，但在冷藏階段風速過大會造成氣流擾動，溫度場均勻性降低且能耗驟升；送風溫度變化對氣流組織分布無顯著影響，與冷卻速率呈反比關系，增幅基本一致；風機擺放采用主流背向式，氣流干擾小且溫度場降溫均勻。立體冷庫風機風速優選12.7 m/s，風溫高于冷藏溫度2 K，可保證降溫速率與降溫均勻特性，擺放形式優先采用主流背向式，溫度場波動范圍為-1～1 K，縮短了冷庫在無裝載情況下的開機預冷時間。研究結果有利于提高冷庫冷卻性能和貨物冷藏品質，可為立體冷庫內氣流組織設計方案提供參考。

關鍵詞：工程熱物理；立體冷庫；氣流組織；送風參數；風機擺放；數值模擬

中圖分類號：TB657.1

文獻標識碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03001

Numerical simulation of the effect of fan parameters on the airflow

organization of a stereoscopic cold storage

ZHANG Hongyi， CAO Yachao， CUI Haiting

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：In order to make the temperature field of the stereoscopic cold storage more uniform， the change law of the airflow organization of the stereoscopic cold storage under different working conditions was studied. The airflow and heat transfer processes in the stereoscopic cold storage were numerically simulated by using FLUENT software with the air velocity of 3.7～15.7 m/s， the air temperature of 240～248 K and six placement positions， and the distribution of airflow organization characteristic and cooling performance index of the stereoscopic cold storage were explored accordingly. The results show that the wind speed has a significant impact on the performance of the stereoscopic cold storage. The pre-cooling time is exponentially reduced with the increase in wind speed， the temperature field distribution is more uniform， but in the cold storage stage， excessive wind speed will cause airflow disturbance， reduce the temperature field uniformity and sharply increase energy consumption; Air supply temperature changes have no significant impact on the distribution of airflow organization， and is inversely proportional to the cooling rate， with a basically consistent increase; The fan is placed in a mainstream back-to-back style， with minimal airflow interference and uniform temperature field cooling. The optimal wind speed of the fan in the stereoscopic cold storage is 12.7 m/s， and the air temperature is 2 K higher than the refrigeration temperature， which can ensure the cooling rate and uniform cooling characteristics. The optimal installation method is mainstream back facing style， and the temperature field fluctuation does not exceed ± 1 K， reducing the pre-cooling time of this type of cold storage when starting without loading. The research results provide a reference for the design scheme of airflow organization in the stereoscopic cold storage， which is conducive to improving the cooling performance of cold storage and the cold storage quality of goods.

Keywords：engineering thermophysics；stereoscopic cold storage；airflow organization；air supply parameters；fan placement；numerical simulation

隨著冷鏈行業的持續發展，冷庫從以前相對簡單標準的冷藏模式轉向應用場景多元化、冷庫運營模式多元化發展[1-3]。相比中國常見的層高5～6 m的傳統型冷庫，新興的自動化立體冷庫建設高度均超過20 m。傳統冷庫在實際應用過程中自身空間利用率不高，如無隔架層、直接碼貨，則利用率更低，而立體冷庫可使單位面積冷藏量最大化，封閉式結構能對跑冷現象有效控制，其特有的優勢使立體冷庫成為未來發展的主流[4-5]。目前，國內外專家學者主要對傳統冷庫氣流組織進行研究，如冷風機出風速度[6-8]、冷風機的擺放位置[9-10]、冷庫內貨物的擺放形式等[11-13]。管佳佳等[5]對立體冷庫的送風量進行了優化，周丹[14]對立體冷庫下的吹風方式進行了探究。目前文獻中對立體冷庫冷風機冷卻下的氣流組織研究較少。立體冷庫中往往需要裝多個冷風機，出風氣流相互干涉，庫內流場和溫度場更加復雜，內部氣流組織的合理分布對儲藏貨物的品質有重要影響。

本文以天津某立體冷庫為研究對象，研究冷風機不同送風參數和風機擺放形式對立體冷庫氣流組織的影響，探究庫內氣流組織的分布規律，提高冷庫預冷過程中的降溫速率，降低風機能耗。

1.1 物理模型

本文以天津某立體冷庫為研究對象，因其冷藏貨物為帶有包裝的生肉產品，冷藏溫度為-25 ℃，故研究中不考慮風速和庫內濕度變化導致的物品干耗。其三維模型如圖1所示。該冷藏間設計尺寸為96.4 m（長）×21.5 m（寬）×26.5 m（高）。冷藏間采用塔式冷風機強制循環制冷（在保溫吊頂及屋面夾層間安裝），風機安裝于冷藏間中央，采用側面背向吹風。

1.2 數學模型

為建立合適的流動換熱模型，計算冷藏間內氣流組織的速度場和溫度場，作出如下假設和簡化：1）空氣可被視為不可壓縮氣體，密度符合Boussinesq假設；2）冷庫密封良好，和外界空氣不發生質量交換；3）氣流在內壁面上流動屬于無滑移邊界條件。

1.3 邊界條件

1）入口邊界條件 冷風機送風口設為速度進口，Boussinesq假設的溫度基準為240 K（-33 ℃），密度為1.42 kg/m³，溫度膨脹系數為0.004 01，湍流強度設置為5%，水利直徑設置為出風口直徑1 m。

2）出口邊界條件 因回風口的速度、壓力未知，冷風機的回風口邊界類型定義為自由流出。

3）壁面邊界條件 目標冷庫位于天津，環境溫度取當地夏季空氣調節日平均溫度為27 ℃。冷庫的頂板為220 mm厚的硬質聚氨酯泡沫夾芯隔熱板，冷藏間的地面為200 mm厚的聚苯乙烯隔熱板，冷庫四周的墻體保溫材料為200 mm厚的硬質聚氨酯泡沫夾芯隔熱板。

冷庫的四周墻壁、庫頂和地面為固壁邊界，溫度條件定義為第3類邊界條件，表面無滑移。因大部分時間冷風機處于停機狀態，冷庫內部氣流和內墻對流換熱較小，通常忽略。根據設計規范[18]，冷庫外表面的換熱系數為23 W/ （m²·℃），而架空地面外表面的換熱系數為8 W/（m²·℃）。冷庫固壁邊界綜合對流換熱系數可由式（8）計算：

本文利用ICEM軟件采用結構化網格劃分，全局尺寸0.4 m，冷風機進出口進行局部加密處理。當網格數量達到159萬時（見圖2），各采樣點的速度不再隨著網格數量的增加而改變，網格加密已經無法明顯提高數值模擬結果的精確性。

網格質量為0.55～1，網格質量良好，無負體積，密度適中，適用本文所建冷庫模型。利用FLUENT軟件進行求解，速度-壓力耦合采用SIMPLIE算法，一階迎風格式。通過等比例的方法建立了物理模型，與劉海波[20]的實驗數據進行比較（見圖3），模擬值和實驗值的單點最大誤差不超過10%，均方差為5.32%，滿足工程技術要求，驗證了數學模型的可行性。

2 數值模擬及結果分析

2.1 不同送風速度

冷庫降溫過程為非穩態過程，在排除其他干擾因素，保證冷風機送風溫度和其他參數不變的情況下，對送風速度分別為3.7，6.7，9.7，12.7，15.7 m/s進行模擬。圖4為不同風速的空氣流線圖，由圖可知，送風口低溫氣流沿射流方向噴射而出，此時空氣流線集中，氣流動量大且溫度低；低溫氣流在流動過程中逐漸向外發散，受空氣阻力影響，速度逐步降低，與冷庫內熱空氣發生熱量、質量交換。

圖5為不同風速下中軸線風速分布圖。圖6為冷藏間y=1截面速度云圖。由圖5和圖6可知，在低風速3.7 m/s時，射流受重力影響向下彎曲，氣流觸底四散，回流依靠回風口吸力；風速為6.7 m/s時，射流經過冷庫兩側中心，擾亂流場分布；風速達到或超過9.7 m/s時，射流彎曲程度減小射程增大，抵達冷庫墻壁，流場分布規則呈回字型分布。當風速為12.7 m/s時，氣流螺旋式上升進入回風口，而風速在15.7 m/s時，氣流擾動增大，底層中部產生4個小的漩渦，影響氣流回流。

圖7為整體溫度云圖，當風速分別為3.7，6.7 m/s時，風速過低，溫度場出現分層分區現象。隨著送風速度增加，冷風機氣流更加貼近庫頂，射流影響區域和冷量傳遞的范圍更廣，溫度場分布均勻性提高。風速變化對冷庫內部速度場、溫度場分布及降溫趨勢的變化與文獻[20]所展示的變化規律基本一致。

圖8為不同風速下的降溫曲線，圖9為冷卻時間隨風速的變化曲線。從圖8和圖9可知，隨著送風速度的增大，達到冷庫設定溫度所需的冷卻時間不斷減少，冷卻時間縮小的幅度越來越小，通過提高送風速度來縮短冷卻時間越來越困難。冷庫能耗和送風量會隨著風機轉速增加而增大，送風速度為12.7 m/s是較優的選擇，冷卻速率為3.5 K/min，冷卻速率增速最大，冷庫內氣流組織分布均勻且風速不超過2 m/s。

溫度不均勻系數描述了測量點的溫度與所有考慮點的平均溫度之間的偏差水平，可用標準方差反映各測點溫度均勻度離散程度，見式（9）：

表2為冷庫預冷10 min時庫內最高溫度與冷藏溫度的差值以及溫度不均勻度。由表2可知，預冷階段，送風速度越大，溫度場均勻性越高；在冷藏階段風速過高會導致氣流擾動，溫度場均勻性下降。優選風速為12.7 m/s，可保證降溫速率與降溫均勻特性，溫度差為1.13 K，溫度不均勻度為0.002 8，冷庫溫差最小；冷藏階段時，冷庫溫度波動最小，溫度場更均勻。

2.2 不同送風溫度

圖10為不同送風溫度的冷卻曲線。模擬結果發現，送風溫度的改變基本不影響庫內氣流組織分布，不同送風溫度下的速度場和溫度場基本一致，貨物區的溫度基本維持在-1～1 K。由圖10可知，送風溫度越低，預冷時間越短，冷卻速率越快，但冷卻速率增速基本一致。因冷藏間維護結構無法完全隔絕熱量傳遞，當送風溫度為248 K時，隨預冷時間的延長，庫內溫度只能接近248 K而無法達到。當送風溫度在240～248 K變化時，溫度場溫度不均勻度為0.229～0.252，送風溫度變化對貨物區溫度梯度的影響不大，庫內溫度場分布基本不隨送風溫度的變化而波動。

2.3 不同冷風機擺放形式

冷庫內的主要擾動來源于冷風機，冷風機安放位置對庫內氣流組織的分布有很大影響[21-23]，參考大量文獻及研究數據，根據優選送風參數，針對此冷庫提出的6種風機擺放方案（方案A：主流背向式；方案B：主流面向式；方案C：主流接力式；方案D：一字排開式；方案E：主流背對交錯式；方案F：主流面向交錯式）進行研究，詳見圖11。

圖12為冷風機不同擺放形式下的空氣流線圖。圖13為對應的中軸線風速分布圖。由圖12和圖13可知，方案A與前文風速為12.7 m/s條件下速度場分布相同，流線呈對稱分布，兩側中心位置流線稀疏為回流區；方案B射流在中間區域發生接觸，造成動量損失，氣流相互干涉導致流場分布不均；方案C冷風機同向出流，部分氣流熱質未充分交換就被回風口大量吸入，冷藏間縱深較長，影響回流；方案D氣流以較大速度撞擊墻壁，流程相對較短，回流速度快，相鄰冷風機氣流干擾較大，流場分布紊亂；方案E和方案F減小了冷風機回流、匯流的相互干擾，但受限于冷庫寬度。

圖14為不同擺放形式下的截面溫度云圖。在運行15 min后，方案A和方案B達到冷藏溫度，方案D、方案E和方案F平均溫度為249 K，方案C溫度最高為250 K。另外方案E和方案F雖然減少了氣流之間的相互干涉，但是貼近墻壁的風機射流受到墻壁的阻礙無法與庫內空氣充分接觸，導致冷藏間預冷時間延長，冷卻效率降低。方案A冷藏間兩端的溫度低于中心區域的溫度，中心貨物碼垛區溫度場分布均勻；方案B冷藏間兩端溫度高于中心溫度；方案C整體溫度場明顯分布不均，因氣流被回風口吸入致換熱不充分，以及冷藏間縱深過長導致側端冷風機周圍冷空氣很難到達，造成側端溫度較高；方案D由于冷藏間寬度較短導致冷風機射流之前相互干擾，冷藏間中部和兩端溫度較高；方案E和方案F冷藏間貨物碼垛區溫度場分布不均，局部相對溫度較高會造成貨物冷藏溫度不一致進而影響冷藏品質。

圖15為冷風機不同擺放形式的冷卻時間。由圖可知，冷風機以主流背向式（方案A）安裝冷庫預冷所需時間最短，冷卻速率最快。

圖16為冷風機不同擺放形式下的溫度不均勻度。由圖可知，方案A、方案B和方案F的溫度不均勻度明顯較低，均為0.23～0.27，冷藏間內部溫度波動較小，溫度場分布均勻。從預冷時間和溫度不均勻度分析得出，風機擺放優選方案是主流背向式（方案A），可縮短立體冷庫在無裝載情況下開機預冷時間以及對冷庫卸載后是否停機做出預測，主流面向式（方案B）和主流面向交錯式（方案F）為次選。

3 結 語

本文主要針對新興的立體冷庫進行冷風機送風參數對冷卻性能影響的研究，并篩選出一種合理的方案。通過模擬結果可知，方案能夠提高冷藏間氣流組織速度場、溫度場分布的均勻性，保證貨物凍藏品質，可為立體冷庫設計優化、布風改造和貨物堆垛提供參考依據，并為流場的優化提供理論指導。具體結論如下。

1）適宜的送風參數和風機擺放形式可以提高冷庫的冷凍效果，實現快速均衡預冷。當送風速度為9.7～12.7 m/s時，冷庫內氣流組織分布規則，送風速度選取12.7 m/s較為合適，能夠確保降溫速率和溫度場的均勻性。

2）冷卻時間與送風溫度呈正相關，改變送風溫度對氣流組織分布的影響不顯著。

3）冷風機采取主流背向式（方案A），可以減小送風氣流相互干擾，庫內氣流組織速度場呈回字型分布，中心貨物域溫度分布均勻。

4）利用CFD技術預測出較為優選的風機參數和安裝位置，減少立體冷庫溫度波動，為立體冷庫的節能降費措施研究奠定了基礎。

受疫情等影響未對立體冷庫進行現場實驗，未來還需進一步對立體冷庫滿載時的冷卻性能進行研究，如就貨物擺放方式、風機啟停運行方式，以及冷庫能耗性價比定量分析等方面進行探討，進一步提升大型立體冷庫貨物冷藏品質，實現節能降耗。

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