三維流體力學預測風機不同布置形式對冷庫氣流的影響

謝 晶，湯 毅，王金鋒，侯偉峰，朱軍偉

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

三維流體力學預測風機不同布置形式對冷庫氣流的影響

謝 晶，湯 毅，王金鋒，侯偉峰，朱軍偉

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

我國冷庫的建設數量近年來增長迅速，可多數冷庫中的氣流分布并不合理，而風機的布置形式是影響冷庫中氣流分布的一個重要因素。運用SIMPLE算法，結合波興涅克(Boussineq)假設，對目標冷庫中不同的冷風機安裝形式進行三維數值模擬。模擬結果顯示目標冷庫中采用兩個三出風口的風機吹風比采用三個兩出風口的風機吹風所引起的氣流場均勻性更好;同時針對后者造成的射流偏移，對風機位置進行改變后得出了冷庫中的流場較改變前均勻性提高。數值模擬的結果對中型冷庫和大型冷庫中風機的安裝形式和安裝位置提供了參考依據。

冷庫，風機，CFD，氣流分布，數值模擬

冷庫中的流場分析一直以來是困擾設計人員的難題，傳統(tǒng)的解決方法只能靠實際實驗測量和氣流可視化研究，而這些都存在成本高、效果不理想的缺點［1］。均勻合理的氣流是決定冷藏貨物質量和節(jié)能的關鍵因素之一，所以對冷庫內氣流組織的改善研究具有很大的意義。作為流體力學的一個分支，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，以下簡稱CFD)常用的軟件有FLUENT、CFX、PHOENICS等，最初用于汽車制造業(yè)和核工業(yè)［2］。隨著計算機性能的不斷改善和CFD軟件本身的不斷優(yōu)化，CFD已被運用于制冷技術的數值模擬中，相比傳統(tǒng)的實際實驗研究，CFD數值模擬技術可以節(jié)約實驗的成本和時間，并且可以靈活改變各項條件進行模擬實驗。目前，在冷庫的研究中，CFD技術已被運用于溫度場、氣體流場、濕度場、壓力場等［3－7］。在冷庫運行過程中，冷風機的各項參數如出風形式、出風速度、風機位置等對冷庫中的氣流都有干涉。對于中型、大型冷庫，一般都會裝有多個冷風機，而不同的風機布置形式對流場會產生不同的影響。由于在中大型冷庫中很難采用實際實驗進行氣流測試，故已有的文獻中還沒有關于風機不同布置形式對流場影響的研究報道。本文借鑒先前運用CFD在冷庫中進行數值模擬的經驗［1，8－9］，采用 SIMPLE算法，結合波興涅克(Boussineq)假設和冷庫中氣流的湍流系數修正對目標冷庫中兩種風機的布置形式進行了三維CFD數值模擬，針對冷庫中氣流的偏移采用改變風機間距離以達到改善氣流的均勻性。CFD模擬的結果對冷庫建設中風機的合理布置提供了參考依據。

1 數學物理模型

本文研究的對象為一個容積為210m3(長10m×寬7m×高3m)的冷庫，制冷負荷為14.3kW，參照某冷風機制造廠的樣本，可以有兩種冷風機的配置方案，即分別為兩出風口的風機(SPAE－032D，每臺制冷量4.89kW)三臺和三出風口的風機(SPAE－043D，每臺制冷量7.41kW)兩臺。風機在冷庫豎直平面內對稱排列，均采用置頂式安裝，詳細風機參數如表1所示。

表1 兩種風機的參數

表2 各控制方程變量、擴散系數及源項

風機的出風速度參照文獻［1］的出風速度給出，為7m/s。

由于冷庫中氣流流動方式為強制空氣循環(huán)，流場區(qū)的雷諾數約為106(數量級)，屬于大空間紊流流動換熱，故采用標準k－ε方程求解問題，其中k－ε模型選用Standrad模型，但是由于貼近壁面的黏性底層中，Re數較低，所以必須采用壁面函數修正［1］。

下列通用微分方程用來描述冷庫內的氣體流場。

表3是標準k－ε方程的一些常用參數。

表3 k－ε方程中的系數

1.1 冷風機出風口邊界

由于k－ε方程中，湍流動能k和湍流動能耗散率ε難以確定，故采用特征尺度和紊流強度來定義紊流，紊流強度經過湍流參數計算程序4.0計算得出。其中流速按平均流速(v=7m/s)，流體密度取空氣密度(t=0℃，ρ=1.225kg/m3)，特征長度按風機特征直徑(D=0.6m)，流體動力粘度按空氣動力粘度(μ=0.000017kg/m·s)，冷庫的材料熱導率按照聚乙烯泡沫的熱導率(λ=0.0297W/m·K)輸入［9］。

1.2 冷風機回風口邊界

將k、ε作局部單向處理。

1.3 熱物性參數

按蒸發(fā)溫度T=273K(0℃)選取。

2 數值模擬

2.1 模型的建立

本文所有數值模擬是在GAMBIT2.2.30軟件中建立模型。流場模擬中最常使用的網格有結構網格和非結構網格兩種，模型的建立方式分為三維模型和二維模型，前人的研究結果證實了非結構網格較適應冷庫這類復雜的模型［10］，而且相對于二維模擬只考慮豎直面氣流相互干涉的方式，三維模擬綜合了豎直和水平面氣流的相互作用因而更準確［11］，故本文采用三維模擬的方式，結合非結構網格進行劃分，其中網格尺寸精度設為45cm，在兩種風機布置方式的模型都產生19555個網格，網格生成形式如圖1所示。

圖1 兩種不同網格模型

2.2 穩(wěn)態(tài)溫度場分析

CFD模擬兩種風機擺設形式的穩(wěn)態(tài)溫度場分布經過TECPLOT 10軟件處理后如圖2所示。圖中穩(wěn)態(tài)條件下溫度場在冷庫中分布相對均勻，基本維持在273K這一恒定溫度，這說明本次模擬的方法正確。但冷庫一般的降溫過程是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，故需在此基礎上對冷庫的運行進行非穩(wěn)態(tài)模擬。

圖2 穩(wěn)態(tài)溫度場分布

2.3 非穩(wěn)態(tài)流場分析

CFD模擬的非穩(wěn)態(tài)氣體流場如圖3所示，模擬結果顯示采用兩臺三風口風機布置的方式的氣流在水平平面內對稱良好，而采用三臺兩出風口風機布置的方式氣流在水平方向內射流偏向中心區(qū)域，這可能是由于三臺風機較兩臺風機，氣流相互干涉形式更復雜。在冷庫運行時，后者這種風機布置的吹風形式容易導致氣流不均勻(中間流速過大、兩邊較小)從而造成冷庫兩邊的貨物冷藏質量下降，在冷庫建設中應當避免這類情況的發(fā)生。

圖3 冷庫非穩(wěn)態(tài)氣體流場分布

2.4 非穩(wěn)態(tài)溫度場分析

圖4是冷庫運行過程中非穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖，按三風口風機進行布置的方案中由于氣體射流的偏移造成了溫度場較低的區(qū)域也偏向中心，其中目標冷庫按兩風口三臺風機進行布置時，冷庫運行8min溫度場可以達到穩(wěn)定，按三風口兩臺風機進行布置時，冷庫則需要運行9min達到恒定，溫度較高的區(qū)域都集中在墻角區(qū)域和靠近回風口的區(qū)域。

3 風機布置的改良

3.1 模型的改良

針對目標冷庫中三臺兩風口風機布置方式吹風所引起的氣流分布不均勻的問題，本文將數值模擬的模型進行了改進。理論上可以通過增加兩臺風機間的距離達到減少氣流相互干涉的目的，故本文將原有的模型中的風機分別改為離冷庫長度方向的墻側0.5m，即把兩邊兩臺風機分別往外移動0.5m，改變后的風機位置如圖5所示，模型的其他設置參數均不變，進行數值模擬。

圖4 冷庫非穩(wěn)態(tài)溫度場分布

圖5 風機的位置圖

3.2 改變風機位置后的數值模擬

圖6和圖7是風機位置改變后CFD模擬的冷庫流場和溫度場分布圖，模擬結果可以得到目標冷庫內的氣流通過增加風機間的距離后均勻性較改變前有所提高，具體表現(xiàn)在消除了兩邊風機吹出的偏移氣流，這是由于風機間的距離增加后，三個風機吹出氣流的相互影響大大減少，導致了冷庫內整體的氣流在水平面上對稱性良好，此外，溫度場由于流場得到了改善也更為均勻。

圖6 風機位置改變后的流場分布

4 結論

本文對一個容積為210m3的冷庫進行了不同風機布置形式的數值模擬，對其中氣流分布不合理的布置形式進行了模型的優(yōu)化，得出了以下結論∶

4.1 在目標冷庫的兩種冷風機的選擇方案中，采用兩臺三出風口比采用三臺兩出風口的方案氣流分布更均勻。

4.2 采用三臺兩出風口的風機在目標冷庫的模擬中氣流偏向中心，在冷庫冷卻過程中溫度場達到恒定的時間為8min，較兩臺三出風口的風機溫度場到達恒定的時間少1min，在制冷中更節(jié)能。

圖7 風機位置改變后的非穩(wěn)態(tài)溫度場分布(8min)

4.3 目標冷庫中采用三臺兩風口的風機在增加風機間距離后，氣流場分布較風機位置改變前均勻，射流的偏向問題得到解決。

以上結論均可以為建設中大型冷庫提供風機布置的參考依據，隨著CFD在冷庫中研究的深入，進一步的研究可以圍繞以下幾個方面進行∶

在CFD模擬中，針對某一特定農產品，引入貨物的孔隙率、表面換熱系數等參數模擬貨物存放狀態(tài)下貨物對冷庫氣流和溫度場的影響;

運用CFD模擬大型冷庫中風機的其他設置參數(如風機高度、出風速度、吹風形式)對冷庫氣流的影響;

運用CFD模擬大型冷庫中不同風速及不同吹風形式的空氣幕對冷庫氣流場的影響從而得出大型冷庫中空氣幕的最佳設置方式。

［1］謝晶，瞿曉華，徐世瓊.冷藏庫內氣體流場數值模擬與驗證［J］.農業(yè)工程學報，2005，21(2):11－16.

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Computational fluid dynamics simulation of influence of different arrangements of fans to the cold store

XIE Jing，TANG Yi，WANG Jin－feng，HOU Wei－feng，ZHU Jun－wei
(College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

In recent years，the number of cold stores in domestic has increased rapidly，but the air distributions in most cold stores are not reasonable and the arrangement of the fans is an important factor of effecting the air distribution.SIMPLE revised was used and Boussineq assumption was combined，three dimensional numerical simulations were done on different kinds of cold fan arrangement in target cold store.The result of simulations showed that the uniformity of the air distributions in those had three air outlets was better than in those had two，meanwhile，to the Jet migration formed by former，the uniformity improved after the arrangement of the fans were changed.The references of the arrangements and the positions of fans in medium and large cold stores were provided by the simulation results.

cold store;fan;CFD;air flow distribution;numerical simulation

TS203

A

1002－0306(2011)11－0349－04

2011－08－05

謝晶(1968－)，女，教授，博士，研究方向:制冷技術，食品冷凍冷藏技術，食品質量與安全等。

2010年度上海市政府間國際科技合作計劃(10390710500);上海市教育委員會重點學科建設項目(J50704)。