基于CFD 的沙棘速凍庫的設計及試驗

Rahimov Asif，胡靖明，楊 梅，張強林，向金田，張文潔

（甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州市 730070）

0 引言

沙棘（Hippophae rhamnoides L.）又叫醋柳、酸刺、黑刺，胡頹子科[1]。我國沙棘林面積約214萬hm2，約占世界總面積的90%，中國沙棘果每年實際采收6～8萬t[2]。因沙棘漿果皮薄、果梗短，直接采收困難，加工企業一般將枝條果裝框放入-30℃以下速凍庫速凍。速凍后沙棘品質基本無變化，因此可采用速凍枝果的方式獲得純凍果[3-4]。現有冷庫在制冷過程中內部氣流場和溫度場分布不均，制冷效果差。速凍庫在運行中氣流場會直接影響速度場和溫度場，傳統測定方法很難獲得整個速凍庫的流場分布情況，而采用CFD仿真可快速、直觀模擬出冷庫內部不同時間氣流分布并實現冷庫優化設計，使冷庫內回流最小化、氣流均勻化、送風合理化[5-6]。

流場的渦流區與冷庫的尺寸結構、風機的進口風速和出口風速等有密切聯系。在速凍庫設計中，渦流區域速凍效果差，應盡量避免回流渦流區域的出現[7]。在冷庫建設過程中應設法改變渦流區出現的位置，使其盡量移至冷庫頂部或墻角等遠離貨物儲存區域的地方[8]。

本文對試驗冷庫（10m×5m×5m）進行了CFD仿真研究，運用CFD 模擬仿真果蔬擺放形式對庫中氣流的影響，模擬中為了使空氣密度更接近實際工況，假設氣流不可壓縮并且符合Boussinep假設[9]，運用了交錯網格技術和SIMPLE算法對壓力進行解耦來防止庫內出現不合理的流速場[10]，并為速凍庫設計導流板以改變速凍庫內部溫度場和速度場。本研究結果將為沙棘速凍冷庫設計和優化提供參考。

1 解決方案

1.1 冷庫設計

改進后的速凍庫外墻體由10m×5m×5m（長×寬×高）的隔熱墻壁構成，內部由3 個2.7m×0.8m×0.8m（長×寬×高）的大型風機和3個0.9m×0.8m×0.5m（長×寬×高）的小風機組成，其結構如圖1。速凍庫工作時速凍庫內部氣流處于循環狀態，在導流板作用下，大型風機組和小型風機產生的氣流構成小單元氣流循環，導流板的設計能夠使氣流得到有效利用，縮短速凍時間，加快降溫速度，保障沙棘枝條果速凍效率。

圖1 速凍庫結構示意

1.2 導流板的設計

針對現有速凍庫內部氣流和溫度不均勻，難以形成回流區，影響沙棘枝條果速凍效率的問題，在速凍庫內部增設導流板用于改變風機組風向，引導風向處于循環狀態，加快制冷速度，縮短制冷時間，保障沙棘枝條果速凍效率。導流板的材料主要為玻璃鋼，后端與大型風機組固定，呈近似四分之一圓形，寬度為3m，其結構如圖2。通過經驗數據和實地試驗分析預測出有無導流板速凍庫的氣流場預測圖，如圖3、圖4。

圖2 導流板結構（單位：mm）

圖4 改進前速凍庫氣流場預測

1.3 理論分析

在本研究中，流體流動被認為是一個穩態的、不可壓縮的三維湍流，假設流動氣體為穩態，符合質量、動量和能量守恒[11-12]，為研究方便，需做如下假設：

（1）速凍庫內空氣符合Boussineq假設并不可壓縮；

（2）速凍庫內為試驗所搭建的鐵架、鐵絲和管道對速凍庫內的流場沒有影響；

（3）速凍庫內的空氣流動屬于穩態紊流。

速凍庫主要是依靠冷風機的強制性對流實現通道內氣流場與溫度場的流動分布。整個沙棘速凍庫裝置的氣流出口為冷風機的出風口，通道內的進風口邊界定義為速度入口。在標準的k-ε湍流模型中，常用湍流強度與湍流粘度比這兩個指標來表示湍流，本文將湍流強度設為5%，湍流粘度比為10[13]。進風口的速度取值為5m/s，進風口的溫度按速凍通道內設計的溫度-30℃（243.15K）來賦值。針對對流換熱，本文采用第三類邊界條件，隧道內鋼板采用壁面無滑移條件，對流換熱系數為35w/（m2K）。在相應模塊中進行結構化網格劃分[14]，壁面附近設置4 層膨脹層并對局部位置進行加密，最終二維網格數達58020個。經過仿真處理，選擇有代表性的切面輸出沙棘速凍隧道的氣流場與溫度場的維圖。

1.4 模擬分析

由圖5、圖6 可知，改進前速凍庫風機產生風速會逐漸減弱，受風速影響區域較少，風機出風口方向、風機上部和速凍庫靠近內墻壁區域受到影響較大。改進后速凍庫中風機產生風速也會逐漸減弱，受到風速影響的區域較多，主要為導流板附近區域、風機上下區域和速凍庫靠近內墻壁區域。

圖5 改進前速凍庫風速三維圖

圖6 改進后速凍庫風速三維圖

如圖7，改進前速凍庫氣流具有貼壁流動特征且速凍庫右下角存在渦流區。經過冷風機處理后的空氣以射流形式從送風口射出，一部分由于壁面分子的粘性貼壁流動，另一部分由于自身重力原因向下流動，到達底部拐角處速度方向突然改變，在該處形成渦流區。流經儲存區的氣流較少且較為紊亂，難以形成回流區，可知氣流利用率較低，物料區域受到氣流影響較小。如圖8，改進后速凍庫中氣流總體呈大回流形式，導流板區域流速偏大，風機上方區域流速較小，這是由于氣流經過冷風機吹出會沿著導流板外形流入存儲區域，經過存儲區域的氣流一部分流向回風口，另一部分在速凍庫底部形成渦流，儲存區域氣流較改進前多，流動性良好，氣流流向趨于穩定，氣流利用率較高，回流區域較多，儲存區域受到氣流影響較大。

圖7 改進前速凍庫氣流分布

圖8 改進后速凍庫氣流分布

由圖9、圖10可看出改進前速凍庫溫度場在風機產生風速作用下出風口附近區域溫度在-20～-30°C 之間，其溫度較低，區域面積較小，存儲區域溫度為-20°C，有一部分溫度較低區域在墻壁上；改進后速凍庫溫度場在風機風速作用下出風口和導流板附近區域的溫度在-20～-29°C 之間，其溫度較低，區域面積較大，儲存區域的溫度能夠維持在-20°C，有一部分溫度稍低的區域在風機的下方，溫度為-18～19℃。

圖9 改進前速凍庫溫度場梯度

圖10 改進后速凍庫溫度場梯度

由圖11 可知改進前速凍庫溫度速度流線大多數在出風口附近進行回流，氣流貼壁流動，在壁面附近形成了一個低溫區域，主要溫度速度流線都經過低溫區域，其存儲區域經過溫度流線較少，說明制冷速度較慢。由圖12可知改進后速凍庫溫度速度流線從整體上看相對比較整齊有順，較多數溫度速度流線在導流板附近和儲存區域進行回流，其回流區域較大，回流數量較多，表明制冷速度較快。

圖11 改進前速凍庫溫度流線

圖12 改進后速凍庫溫度流線

2 驗證試驗

2.1 儀器設備

（1）迷你風速計：本試驗采用手持式風速儀測量出風口和回風口風速，具體參數如下，風速測量范圍：0～30m/s，測量精度：5%，分辨率：0.1m/s，采樣速率：0.5s。

（2）數字探針測溫儀：本試驗采用數字探針測溫儀測量速凍庫各點溫度，具體參數如下：溫度測量范圍-40～155℃，測量精度±0.5 ℃，分辨率0.1℃。

（3）電子秤：將采集的沙棘枝條果剪至15～20cm迅速裝框，運輸至冷藏室中備用。通過風速儀、數字探針測溫儀及電子稱對改進前后不同凍結時間速凍庫溫度和風速進行記錄。

2.2 試驗數據

試驗指標為制冷溫度和人工勞動時間。人工勞動時間為將待凍沙棘放入庫內和取出所花費的時間，試驗結果如表1。

表1 改進前后速凍庫性能參數對比

由以上試驗結果可知，在相同的運行時間和相同的投入枝果質量條件下，改進后速凍庫制冷速度比改進前速凍庫制冷速度快1.25 倍左右，人工勞動時間明顯縮短了2.5 倍左右，勞動效益得到顯著提高，大幅降低了用工量。

3 結論

（1）對于氣流場，改進前速凍庫氣流多為貼壁流動，存儲區域氣流較為紊亂，很難形成回流區，改進后速凍庫的氣流貼壁流動現象減少，存儲區域氣流井然有序，形成大面積回流區。

（2）對于溫度場，改進前速凍庫溫度流線多數在出風口處進行回流，存儲區域流經的氣流較少，可知存儲區域受到影響較小；改進后速凍庫溫度流線在導流板處進行回流，存儲區域流經的氣流較多，回流區較多，可知存儲區域受到影響較大。

（3）在速凍庫頂部設計導流板有利于速凍庫內部氣流流入存儲物料區，提高速凍庫的速凍效率。