果品冷藏庫氣體流場模擬及實驗

果品冷藏庫氣體流場模擬及實驗研究摘要：合理的冷藏庫氣體流場，可以保證冷量的均勻分配，保證冷藏食品品質(zhì)。近年來，計算流體力學（CFD）技術(shù)隨著計算機科學和流體力學理論的發(fā)展而在工業(yè)各領(lǐng)域得到廣泛使用。本文中，作者利用CFD技術(shù)對一實際水果冷藏庫流場進行了數(shù)值模擬,并通過實驗驗證了模擬的可靠性。研究表明數(shù)值模擬在冷藏庫流場優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用切實可行而且優(yōu)勢顯著。關(guān)鍵字：計算流體力學冷藏庫數(shù)值模擬實驗驗證1引言合理的冷藏庫氣體流場，可以保證冷量的均勻分配，節(jié)約能耗，降低干耗損失，提高貨物質(zhì)量。據(jù)調(diào)查，目前大多數(shù)冷藏庫的氣流組織欠合理，這是由于冷庫大多是憑經(jīng)驗設(shè)計建造的。為了獲取冷藏庫內(nèi)流場的信息，傳統(tǒng)的方法是進行實驗測量或作流場可視化研究。這些做法在實際運用中都具有很大的局限性，使用成本也很高，而且也不可能獲得整個流場內(nèi)詳盡的信息。計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD）是在經(jīng)典力學，數(shù)值計算方法和計算機技術(shù)基礎(chǔ)上建立起來的新型學科。它通過建立數(shù)學物理模型，根據(jù)提供的邊界條件和參數(shù)，可以對速度場、溫度場、壓力場等諸多物理量進行仿真模擬，從而提供流動區(qū)域內(nèi)精細的流場、溫度場，因而通過CFD研究可以更好地分析冷藏庫內(nèi)流體的流動情況。近年來，數(shù)值計算技術(shù)在食品、制冷等工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了相當滿意的效果，然而文獻檢索發(fā)現(xiàn)，將數(shù)值計算應(yīng)用于冷庫方面的研究卻是很少。瞿曉華等人利用CFD技術(shù)對一小型裝配式冷庫流場進行數(shù)值模擬，分析了流場形態(tài)及各種設(shè)計參數(shù)對冷藏庫內(nèi)流場的影響。研究表明數(shù)值模擬在冷藏庫流場優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用切實可行而且優(yōu)勢顯著[1]；王劍鋒等人對分別屬于兩個冷庫的流場進行了二維模擬研究，并對氣流組織進行了對比分析，指出冷庫流場存在一個中心大回流，流場的主流有靠近邊界流動的趨勢，無論是水平還是垂直速度均呈現(xiàn)兩邊大、中間小的格局[2，3]；胡浩等人建立了水果氣調(diào)庫庫內(nèi)氣體流動、傳熱和傳質(zhì)的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，還根據(jù)水果的呼吸原理建立了貨物區(qū)的傳熱、傳質(zhì)控制方程，采用SIMPLE算法和整體求解的解法對水果氣調(diào)庫的降溫、降氧等非穩(wěn)態(tài)過程進行了數(shù)值模擬，但最后的計算沒有作進一步的驗證研究[4]?？傊?，數(shù)值計算在冷庫中的應(yīng)用不多，且基本上處于模型設(shè)計的階段。本文對屬于江浦冷凍廠的一個果品冷卻物冷藏間進行了流場實測和數(shù)值模擬計算，其中模擬計算主要利用商用CFD軟件FLUENT來得到三維流場結(jié)果，對模擬結(jié)果與實測值進行了比較，取得了較好的一致性，誤差在允許范圍內(nèi)，表明了數(shù)值模擬在冷藏庫氣體流場設(shè)計中應(yīng)用的可行性。通過本文的研究，期望對冷藏庫的流場設(shè)計和改造具有一定的參考價值。2物理及數(shù)學模型2.1物理模型本文中所研究的冷庫為上海市江浦冷凍廠的一個果品冷藏庫，該庫的的內(nèi)型尺寸為26.93m（長）×12.76m（寬）×3.8m（高），空氣冷卻器為兩臺LFF型8#軸流風機，每臺風量33000m3/時，轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分，功率4KW，風機位于墻內(nèi)，通過一均勻送風道將冷量送至冷庫，該風道位于冷庫中部，離地高1.96m，送風道高為44cm，兩邊對稱各突出20個圓柱狀送風口，冷庫兩邊堆放貨物，貨物為蘋果。本研究中為簡化起見，將貨物看成兩貼壁的長方體，按照冷庫內(nèi)實際情況，設(shè)定每個長方體尺寸為26.93m（長）×3m（寬）×2.4m（高）。2.2數(shù)學模型為了取得數(shù)值模擬的結(jié)果，首先要建立合適的描述冷藏庫內(nèi)流動換熱的數(shù)學模型，先做如下假設(shè)：1）冷藏庫內(nèi)空氣為不可壓縮的理想氣體；2）冷藏庫內(nèi)管道和鐵架等支承物對流場沒有影響；3）流場為不隨時間變化的穩(wěn)態(tài)流動。冷藏庫為有限空間強制對流，流場Re約為106，處于紊流狀態(tài)，結(jié)合上列假設(shè)，采用D.B.Spalding的紊流流場K-ε的數(shù)學模型[5]，在直角坐標系下，聯(lián)立連續(xù)性方程，動量方程，K方程，ε方程及能量方程作為計算方程組，該方程組可以用下面的通用微分方程形式表示：式中：φ－通用變量；Г－與φ相對應(yīng)的廣義擴散系數(shù)；S－與φ相對應(yīng)的廣義源項。不同方程對應(yīng)關(guān)系見表1。表1各控制方程變量、擴散系數(shù)及源項Table1Variables,diffusioncoefficientsandsourcetermsofeachgoverningequations減方程傲φ池Γ涌S謎X簡方向動量爺方程趨u可η少+偶η充t寇Y烏方向動量另方頌程翅Z夏方向動量映方程長vw傻η繼+初η傭t爬η棕+已η乳t鋪紊流能量唯方程賀K陣紊流能量插耗散方程譯ε悄能量方程健T識0表中：；銜K慰－威ε丸模型中經(jīng)密驗常數(shù)采圈用經(jīng)典推巧薦值（見傲表庸2梯）擠。跟直表妹2紙k還－鍋ε救模型中的筆系宇數(shù)尾Tabl笑e2蝶The澇coef旋fici啄ents瘡in螞k斷-截ε談mode你l勝C鞭μ批C沫1橋C兵2宜σ賞ｋ扔σ墳ε偉σ盆Ｔ籌0.09階1.44鐘1.92鞋1.0獎1.3鋒0.巨9笛～單1.0霞2.凳3絡(luò)邊界條件壩本文采用志的蛾K幣－浴ε科模型屬命高孝R岔e睬數(shù)模型，蔬適用于離懶開壁面一衰定距離的扒紊流區(qū)域托。但由于菠在貼近壁昌面的粘性矮底層中，堵紊撫流課R旦e宋數(shù)很低，豈這就必須邁考慮分子雄粘性阻力營的影響，債故采用在漫工程計算船中應(yīng)用最萄多的壁面篇函數(shù)法來丙處理。入遼口邊界采宴用蛛速度邊界紀條件，由塌風速儀及躬熱電偶測如得入口平掏均風速價為殺8.9m厲/扣s粉，溫度超為壯275掙K改，由柜于遙K橫,元ε廊難以測量跪或計算，專采用紊流只強度與特煎性尺寸來狀定義紊流營，紊流強撲度是指脈徑動速度平毒方時均值慧的方根與可某一特征脆速度的比炊值縣[6]匪，本研究瓣中設(shè)菊為摟5膠%李，由于送卷風口為圓踢形，因此青水力直徑求為圓直見徑功0.11朋m推，出口邊擔界采用壓任力出口條脊件，出口日壓力及溫盛度皆設(shè)為餅環(huán)境值，謹出口風速物由軟件自好行計算得神到，壁面府邊界采用尊第一類邊酸界條件，統(tǒng)經(jīng)熱電偶掃多次測量股，取其平昆均掉值渡4耕℃權(quán)(277候K便)前為壁面溫擦度，速度斜情況按無聽滑移條件棒處理，即備壁面各方灶向速度挺為陷0養(yǎng)。收2.螺4橡貨物的處射理燙在本研究橋中，根據(jù)窮冷庫內(nèi)貯若藏的貨物渠及其堆放掠方式的特菊點，將其體看作多孔介介質(zhì)處理樓。蘋果視扔為球形固猶體顆粒，冊間隙中的奪氣體對應(yīng)如于多孔介更質(zhì)中的流偶體。由于榮貨物箱壁奧的障礙以廣及貨物區(qū)付多孔結(jié)構(gòu)趴所造成的顧極大的流驗動阻力，獄貨物區(qū)中順的氣體流蓋動極其微瘋?cè)?，其大映小和分布種對冷庫內(nèi)禾氣體主流葵區(qū)的影響慰可以忽略劍，因此可衡近似認為響貨物區(qū)中善氣體流速羅為零。租[4]銀由于本研副究最終需沿要得到冷遍庫的溫度閑場分布情顧況，因此旅對于貨物伏區(qū)，需要欣知道其熱器導率，由想文曲獻倍[7語]釣，扁J.C.蔽Maxw蹄el障l悉提出以電決熱模法獲儀得多孔介辨質(zhì)的有效趴熱導率攀式中：下角標象g瓦，租s儲—個—肺氣體，固充體窯，為ξ—裝—貢多孔介質(zhì)某的孔隙率塊。脊上式適用做于球形顆現(xiàn)粒多孔體叔且驚ξ冠值較高的下場合。蘋略果熱導率探為復0.41殺8W/淡m訊?懲K屋[8]燃；空氣導安熱系數(shù)悲按搞0俯℃丑時選役取燭K簡g煙=0.0譜244吩W/招m乘?優(yōu)K米[9]悲蓄，根據(jù)實因際情況，萌假設(shè)每箱言蘋果中蘋踏果總體積質(zhì)占箱體積冶的一半扔，筋ξ局設(shè)票為接0.格5勁，則貨物做區(qū)當量導廟熱系數(shù)滿經(jīng)計算吳得閥0.07殿72W/除m坑?把K撥。手蘋果的呼越吸熱是冷翼庫內(nèi)的主臥要熱源，仿不可忽略伯，據(jù)資料范查得蘋智果耐0我℃查時的呼吸背強度付為直V陪0膨=2.2非4ml/饞K本g印?伸h糕，呼吸熱脆為敲q載0即=12.講1W/t懸抵，假設(shè)貨灘物區(qū)平均嘗溫度勒為徒3召℃氣（督276腳K贈），則蘋湯果的呼吸看熱按簡單壞插值計算那得助15.4駛8W/t午=12.聾384W涌/m欺3蟲，蘋果密捎度選腦為嶺800k偏g/m績3鳴。占[10]觸3屯達計算及結(jié)郵果分析稼本研究中刃前處理采才用妹GAMB舍I乒T顆軟件進行擔幾何建模蜜及網(wǎng)格劃血分，采濫用護COPP浴E撲R廊方法劃分憂網(wǎng)格，在難送風口及跑壁面處將糕網(wǎng)格局部殼加密，為英使結(jié)果準起確，網(wǎng)格吳步長設(shè)笨為喉0.2富5赤，一共生歇成歡約繭55虜0述，餡00滲0求個網(wǎng)格，獵將網(wǎng)格文臭件導腐入氣FLUE墨N廣T熊，根據(jù)上獻述邊界條寨件及貨物蘆情況進行奪設(shè)置，采鮮用控制容版積法對控蝕制方程進掛行離散，攻再材用遷SIMP扎L野E異進行流場滲計算，收艙斂精度除詠能量方程詢?yōu)閷?0竭-6低外，其余賭方程都設(shè)穴置過為昂10桃-3垮，計算結(jié)吵果分析如脫下。乎由于計算會結(jié)果的三瓣維顯示只范能看到庫每壁面的參來數(shù)分布情衡況，無法雄清晰顯示乘庫內(nèi)尤其宋是貨物附副近的流場饒分布情況莖，因此本仗研究將在偉三維庫中疲選擇有代更表性的切替面，分析罪切面上的牌參數(shù)分布良來進行研蹤究。潮經(jīng)過某兩翻個對稱送格風口的截膊面上的速辣度分布，策兩邊無速泊度處為堆匙放的貨物浪。速度場芹以風道為棕中心呈對早稱分布，獨送風口處筋速度最大媽，由于貨幣物阻隔，約氣流在貨揀物處形成罩分流，分艇別向上和冰向下流動藍，并形成售兩個渦流鳳區(qū)，渦流倡區(qū)內(nèi)氣體炸速度較小每，然而由滔于貨物未畝貯藏于渦歐流拐區(qū)策,蒙因此對于麗貨物貯藏捷沒有太大顯影響；貨喝物區(qū)受到墨送風口氣胳流直吹，匆冷卻效果控較好；流肯場在庫上亂部拐角處萄呈現(xiàn)速度征減小的趨棉勢，在速榆度矢量圖掌中表現(xiàn)為無速度的不誼連續(xù)，且爺存在小漩此渦，這可交用流量守西恒定律解距釋濤（殃A腫1像V艷1墻=A用2斗V嘉2酸）偽,膊因為拐角側(cè)處流動截缺面積增大塊，使該處銅的流動速憑度減欄小隊;醋而拐角處稠的小漩渦勉是由于壁湯面的阻礙掛擾流引起胞的。焦本研究的存實驗驗證脫選取的是槍離地姨高混1.蘭1售米的等高饞面，為便爭于進行實射驗與理論柴計算的比突較炮,但因此數(shù)值利計算得到柱的溫度場辨也用此等壯高面上的庫結(jié)果表示且，溫度場煙呈現(xiàn)均勻舍化趨勢，貸由于送風餃口在冷庫晝中部往兩野邊吹風，愈因此，此臉區(qū)域氣體殃速度較高黃，溫度比轎較低，并括向兩邊逐秒漸上升；都前文已提勒及貨物區(qū)斥內(nèi)氣體流區(qū)速笛為欲0碑，加之內(nèi)猶熱源的作隱用，溫度謀較高；在紋庫體壁面赤上，由于感流體在庫各體表面無府滑移，加薯之外界熱幸量的作用血，其溫度林為整個流洲場最高處老，壁面拐備角處溫度脾尤顯高，循是因為存購在渦流，腸不利于散省熱。須送風口中幫心等高面汗上壓力場甚的分布，曾中間的空足區(qū)域為送堤風道，由莊圖可知，壤送風口處黎，風速較廚大因此壓巾力較大，離到主流場餅，壓力有薄所降低，疏再往兩邊蔬，在主流介區(qū)與貨物艱區(qū)接界處憤，由于氣捕體流動受章到固體貨既物的阻擾哥，加劇了訪氣體的擾訊動，因此版壓力也較答大，到貨虛物區(qū)，由青上述氣體背速度逃為縣0蓬，因此壓冒力粘為斥0胸。芹4予.宿實驗驗丸證黨打為了驗證景數(shù)值計算樣的正確性田，我們在加庫內(nèi)離地森高垮1.能1維米的等高和面上布置縫了娃3止0斯對熱電偶往對數(shù)值計祖算的溫度誰場進行了漏實驗測試揭，在布點丑的過程中穿，由于貨蛾物的堆放泡，對布點亦造成了不替少的困難猶，作者盡螞量在冷庫蠟內(nèi)各區(qū)間銅均勻布點偽，力爭全橡面準確地銜反映冷庫避的溫度分桑布情況，猾將測得的劈數(shù)據(jù)導入杠繪圖軟加件券ORIG渠I狀N共中，通過從轉(zhuǎn)換矩陣美等工作，擔繪制出等盆溫圖，如偶圖麗4拋。由鎮(zhèn)圖超4呀和理圖摟2匙的比較，腥可看出兩超圖的分布集特性是一導致的，具餃體各點間前溫度比較敏見喉表鋒1韻。全表圣1畢清庫拼內(nèi)彈1.訴1足米等高面啊上實測值啟與計算值踏的比裂較廳廟序號尺實測值碰（弄℃盟）歇計算值伴（仿℃貨）沖1膏3.9糊4蘋2令3.8竊4轟3饞3.9場4細4覆2.8箭3片5芬3.1朵3.02湊6猾3.9鉗4甘7艇2.5堵2.72意8譜2.6夏2.76鉤9頓2.6戀2.74階10壟3.9好4戒11臟3.8朱4歐12腹3.7哲3.78興13姥3.5匯3.62騾14蚊2.7黃2.85言15灶2.6氣2.77屢16果3.0料3.14貝17夸3.2村3.35堤18叢2.7赴2.81尋19序2.9臂2.85的20褲2.6侮2.76碧21嗎2.6雖2.76舞22殼2.8呢2.94智23梢3.1析3.19桌24客2.8龜2.89盾25地2.7均2.76燥26倘2.1燙2.17除27部2.6步2.73蹈28華2.6撫2.75遵29項3.7洲3.81嶄30則3.5特3.63研5蹄.孝結(jié)論與展檔望沃目前，冷辦藏庫內(nèi)流策場的數(shù)值運研究極少羽，且多以銅研究空庫塵為主。本咐文運采用己CF壽D溪商用軟件癥對存有貨濤物的冷藏鋒庫作了數(shù)抗值模擬，他并進行了較實驗驗證告，研究表超明利用數(shù)程值計算工根具對實際飛冷藏庫流號場分析設(shè)靈計是完全示可行的。瓶同時，將等理論分析含、實驗研哀究、數(shù)值等模擬三者乘緊密結(jié)合破起來并相捷互補充的伐研究方法桶也必將大哈大提高冷見藏庫的設(shè)券計水平，惡改善冷庫篩中的溫度參場，滿足旁消費者對風冷藏食品礎(chǔ)品質(zhì)越來掏越高的要指求。躲實驗與理你論結(jié)果基縮本吻合，鎖其最大相坡對誤差今為倒8認%比，在計算胖允許范圍腫內(nèi)，說明舍本研究建傅立的數(shù)值價計算模型蔬是正確合撲理的，能旺較真實地律反映庫內(nèi)墾實際情況以。萌參考文反獻胞眉[1徹]夜謝晶貧瞿曉華句徐世斷瓊拌.避救冷藏庫內(nèi)餃氣體流場私數(shù)值模擬溫與驗粉證肚[J]五.旱農(nóng)業(yè)工程悼學報均，惕200層5蝴，妥2丘：禁1遮1誼～纏1存6喊．沫啄[2]壯廈胡熊飛，陪劉楚蕓，時王劍鋒鞭等酷.珠冷庫凍結(jié)壺過程氣體蠻流場與節(jié)碗能研彈究布[J]堅.詞制冷庭，矮199怎5化，膏2盈：務(wù)5勤～已1葡0創(chuàng)．岔[3]暖捕胡熊飛，璃劉楚蕓，棟王劍鋒赤等旋.橫冷庫凍結(jié)遷間氣體流嚴場模斥擬掀[J]遞.詠冷藏技術(shù)