冷庫(kù)庫(kù)門的非穩(wěn)態(tài)RANS模型滲風(fēng)研究

田 紳邵雙全張坤竹田長(zhǎng)青

（1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3清華大學(xué) 北京 100084）

冷庫(kù)庫(kù)門的非穩(wěn)態(tài)RANS模型滲風(fēng)研究

田 紳1，2邵雙全1張坤竹3田長(zhǎng)青1

（1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3清華大學(xué) 北京 100084）

伴隨冷庫(kù)總量的快速增長(zhǎng)，冷庫(kù)的能耗問(wèn)題已越來(lái)越受到關(guān)注。庫(kù)門滲風(fēng)作為冷庫(kù)的一項(xiàng)占比很大的熱負(fù)荷是冷庫(kù)能耗研究的一個(gè)重點(diǎn)。本文采用非穩(wěn)態(tài)RANS模型對(duì)庫(kù)門滲風(fēng)建立了動(dòng)態(tài)模擬模型，利用對(duì)一座庫(kù)高和門高之比為2∶1的冷庫(kù)，在不同庫(kù)內(nèi)外溫差和冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式下，驗(yàn)證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：所建模型預(yù)測(cè)的滲風(fēng)量、測(cè)量點(diǎn)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速和溫度的數(shù)值和變化趨勢(shì)都與實(shí)驗(yàn)值有較好的吻合，在開(kāi)門時(shí)間40 s內(nèi)時(shí)，滲風(fēng)量模擬誤差在±10%以內(nèi)。利用該模型對(duì)滲風(fēng)的特性和機(jī)理進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，受風(fēng)機(jī)水平方向風(fēng)場(chǎng)影響，風(fēng)機(jī)開(kāi)時(shí)庫(kù)內(nèi)溫度均比風(fēng)機(jī)關(guān)時(shí)低。庫(kù)內(nèi)外空氣密度差較小，庫(kù)內(nèi)冷空氣受重力的影響不大，因此滲風(fēng)量隨開(kāi)門時(shí)間呈線性變化。

冷庫(kù)；滲風(fēng)；溫度場(chǎng)；模擬

冷庫(kù)是冷鏈物流體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近幾年，隨著全球冷鏈商品市場(chǎng)需求的增加，生鮮食品產(chǎn)業(yè)規(guī)模以及互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，冷庫(kù)的總量、技術(shù)和服務(wù)都在飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前美國(guó)的冷庫(kù)總量為1.18億立方米［1］，歐洲為0.6～0.7億立方米［2］，2014年，我國(guó)冷庫(kù)保有量達(dá)3320萬(wàn)噸，比2013年（2411萬(wàn)噸）增長(zhǎng)了36.9%［3］。在不斷完善冷鏈物流體系的同時(shí)，冷庫(kù)的迅速擴(kuò)張也帶來(lái)了一系列能源消耗的問(wèn)題。我國(guó)冷庫(kù)一年的耗電量約為全國(guó)一天的用電量。歐美等國(guó)家的冷庫(kù)平均耗電量約為61.2（kW·h）／（m3·year）［4］，按其冷庫(kù)總量計(jì)算年耗電量達(dá)到約112億千瓦時(shí)，從總量上看，冷庫(kù)的能耗占全社會(huì)的能耗比重較小。但是，冷庫(kù)的節(jié)能減排仍受到越來(lái)越多的關(guān)注，原因是：首先，冷庫(kù)的節(jié)能潛力很大，平均節(jié)能潛力在30%左右［4］。其次，許多節(jié)能措施的回收期較短，小于3年，對(duì)冷庫(kù)企業(yè)有可觀的回報(bào)。再次，許多大型和超大型冷庫(kù)群用電量很大，對(duì)地區(qū)用電帶來(lái)不利影響。最后，實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)的節(jié)能減排對(duì)推動(dòng)冷鏈物流行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展以及帶動(dòng)冷庫(kù)行業(yè)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用具有重要意義。

制冷系統(tǒng)耗電約占冷庫(kù)總耗電量的 60% ～70%［2］，這部分能耗主要用來(lái)移除庫(kù)內(nèi)的熱負(fù)荷。對(duì)不同種類的熱負(fù)荷進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)有助于建立準(zhǔn)確的冷庫(kù)能耗預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而為節(jié)能潛力計(jì)算和節(jié)能措施分析提供科學(xué)可靠的方法。在眾多熱負(fù)荷中，庫(kù)門滲風(fēng)是一種由空氣密度差引起的自然對(duì)流［5］，可導(dǎo)致冷熱空氣的強(qiáng)烈交換，在很短時(shí)間內(nèi)給庫(kù)內(nèi)帶入大量的顯熱負(fù)荷和濕負(fù)荷。P.Chen等［6］指出，對(duì)于小型冷庫(kù)而言，滲風(fēng)熱負(fù)荷甚至能夠占到冷庫(kù)總熱負(fù)荷的一半以上。因此，很多學(xué)者圍繞滲風(fēng)特性和滲風(fēng)預(yù)測(cè)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和模擬研究。W.G.Brown等［7］最早提出了滲風(fēng)速率的預(yù)測(cè)模型，之后有不少學(xué)者對(duì)該模型進(jìn)行了修正和完善。但是，之后有學(xué)者指出該類模型還存在一定的局限性。A.M.Foster等［8］通過(guò)庫(kù)門滲風(fēng)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，認(rèn)為上述模型在滲風(fēng)量預(yù)測(cè)方面都存在一定的誤差，且在某些工況下誤差甚至超過(guò)30%，進(jìn)一步提出CFD模擬有更好的精度，而且可以更加詳細(xì)的描述滲風(fēng)流場(chǎng)。T.L.Micheaux等［9］利用冷藏車車廂和風(fēng)洞對(duì)滲風(fēng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為滲風(fēng)存在兩個(gè)階段，一個(gè)是浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，另一個(gè)是邊界層流動(dòng)，指出了由于存在兩個(gè)階段，相應(yīng)的滲風(fēng)速率也表現(xiàn)出了很強(qiáng)的瞬時(shí)特性，而這與之前普遍認(rèn)為的滲風(fēng)速率恒定的假設(shè)并不相符。以上的研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模擬和理論分析等方法已對(duì)滲風(fēng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，得到了滲風(fēng)速率計(jì)算公式、滲風(fēng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型和滲風(fēng)瞬時(shí)特性等結(jié)論，但是還有學(xué)者指出目前庫(kù)門滲風(fēng)的研究仍不充分，還需要對(duì)不同庫(kù)體尺寸和庫(kù)門尺寸的冷庫(kù)滲風(fēng)特征以及滲風(fēng)瞬時(shí)變化特性及機(jī)理進(jìn)行深入研究，以得到更加普適性的規(guī)律和更加精確的預(yù)測(cè)結(jié)果［6，9］。

庫(kù)門滲風(fēng)是一種單側(cè)（single-sided）氣流交換的自然對(duì)流，這種形式的自然對(duì)流在其它建筑中也很常見(jiàn)。有所不同的是，由于冷庫(kù)的庫(kù)內(nèi)外溫差很大，此形式的自然對(duì)流在瞬間產(chǎn)生更加強(qiáng)烈而且復(fù)雜的流動(dòng)［10］，然而對(duì)其瞬態(tài)機(jī)理和特性的研究相對(duì)其它建筑滲風(fēng)的研究而言仍較少。本文針對(duì)冷庫(kù)庫(kù)門的滲風(fēng)動(dòng)態(tài)過(guò)程建立了基于非穩(wěn)態(tài)RANS模型的滲風(fēng)模擬模型，然后利用一座庫(kù)體高度和庫(kù)門高度之比為2∶1的特定冷庫(kù)進(jìn)行了庫(kù)門滲風(fēng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，包括滲風(fēng)量、庫(kù)門平面處的實(shí)時(shí)風(fēng)速以及當(dāng)?shù)販y(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度等。一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，另一方面利用模型對(duì)滲風(fēng)特性和機(jī)理進(jìn)行了深入分析。

1 CFD模型搭建

本文采用CFD模型中的非穩(wěn)態(tài)雷諾平均模型（unsteady-RANS model）模擬滲風(fēng)，該模型具有應(yīng)用廣泛和計(jì)算快速的優(yōu)點(diǎn)，而且在建筑的氣流組織模擬研究中已被證實(shí)有很好的精度［12］。在之前的研究中，A.M.Foster等［8］和T.L.Micheaux等［9］也都采用了此種模型，得到了和實(shí)驗(yàn)較為接近的結(jié)果，且研究了滲風(fēng)的特性。而本文以RANS模型為基礎(chǔ)，增加了風(fēng)機(jī)開(kāi)、不同庫(kù)溫和庫(kù)門尺寸等復(fù)雜工況的非穩(wěn)態(tài)模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證該種模型。同時(shí)通過(guò)對(duì)比不同工況模擬結(jié)果，進(jìn)一步分析滲風(fēng)流場(chǎng)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)和庫(kù)門處的特征尺寸，計(jì)算得到的雷諾數(shù)分布在104～105，處于完全湍流區(qū)，因此本文采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型來(lái)建立RANS模型。而且該湍流模型在建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)、熱舒適性和氣流組織研究方面有非常廣泛的應(yīng)用［12］。所有的模擬算例都是通過(guò)商業(yè)軟件Fluent（Version 14.5）來(lái)計(jì)算的。計(jì)算的算例所采用的幾何模型依據(jù)實(shí)驗(yàn)冷庫(kù)的幾何尺寸，庫(kù)外和庫(kù)體尺寸如圖1所示。

計(jì)算網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，初始網(wǎng)格數(shù)由公式（1）計(jì)算得到［13］：

式中：N為初始網(wǎng)格數(shù)；V為流場(chǎng)區(qū)域的總體積，m3。在初始網(wǎng)格基礎(chǔ)上，對(duì)庫(kù)門和冷風(fēng)機(jī)等區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，所得到的最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m，總網(wǎng)格數(shù)為500萬(wàn)～700萬(wàn)之間，近壁面處的y＋值在30～300之間，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的要求。

庫(kù)門處采用interface邊界，目的是實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)外區(qū)域的初始條件分開(kāi)設(shè)置；對(duì)冷風(fēng)機(jī)的模擬是分別在風(fēng)機(jī)送風(fēng)和回風(fēng)邊界設(shè)置了velocity-inlet和outflow邊界條件，在風(fēng)機(jī)開(kāi)時(shí)velocity-inlet的風(fēng)速設(shè)置為恒定值4 m／s，與下文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中測(cè)得的送風(fēng)風(fēng)速值相同，出風(fēng)溫度設(shè)置為與圖1中上部測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)量溫度值相同，然后利用UDF函數(shù)導(dǎo)入為溫度邊界條件。風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)風(fēng)機(jī)邊界條件改為壁面（wall）條件。

時(shí)間步長(zhǎng)選取公式（2）［14］：

圖1 實(shí)驗(yàn)冷庫(kù)圖（單位：mm）Fig.1 Experimental cold store diagram

式中：L為特征長(zhǎng)度，m，門的厚度取值為0.2 m；β為空氣的熱膨脹系數(shù)；ΔT為庫(kù)內(nèi)外的溫差，K。最終，時(shí)間步長(zhǎng)取值為0.2 s。

在模擬中共設(shè)置了2個(gè)庫(kù)內(nèi)外溫差工況，分別對(duì)應(yīng)庫(kù)內(nèi)外溫差為50℃和30℃的情況。由于庫(kù)內(nèi)外空氣的密度差低于20%，空氣物性設(shè)置采用Boussinesq假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，該方法假設(shè)密度為恒定值，但在動(dòng)量方程中增加一項(xiàng)體積力來(lái)計(jì)算變密度的情況，主要用于自然對(duì)流問(wèn)題的簡(jiǎn)化計(jì)算。模型中其它空氣物性參數(shù)由庫(kù)內(nèi)外平均溫度所對(duì)應(yīng)的空氣物性參數(shù)查表得到。模型中的空氣物性參數(shù)具體取值如表1所示。

表1 空氣物性參數(shù)Tab.1 Air physical properties

假設(shè)庫(kù)門處進(jìn)出風(fēng)的體積流量相等，滲風(fēng)速率的計(jì)算依據(jù)公式（3）［15］：

式中：Q為滲風(fēng)速率，m3／s；U為網(wǎng)格單元處垂直于庫(kù)門方向的風(fēng)速，m／s；A為網(wǎng)格單元的面積，m2；m ×n為庫(kù)門平面的網(wǎng)格數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用CO2氣體濃度法對(duì)滲風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算公式為［11］：

式中：Vtotal為滲風(fēng)量，m3；Vc為庫(kù)內(nèi)體積，m3；C為氣體體積濃度，10－6；下標(biāo)i、e和f分別表示庫(kù)內(nèi)起始、庫(kù)外環(huán)境以及庫(kù)內(nèi)終止。

這種方法只能測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的滲風(fēng)總量，而且需要保證氣體測(cè)量前后濃度均勻和穩(wěn)定。因此，為了得到不同開(kāi)門時(shí)間所對(duì)應(yīng)的滲風(fēng)量，在實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)置了5 s、10 s、20 s、30 s、40 s、60 s共6個(gè)開(kāi)門時(shí)間。為了保證濃度均勻，在時(shí)間達(dá)到后立即關(guān)閉庫(kù)門，并開(kāi)啟冷風(fēng)機(jī)攪動(dòng)室內(nèi)空氣，使室內(nèi)氣體濃度快速趨于一致且均勻。最終，由6個(gè)時(shí)刻的總滲風(fēng)量可得滲風(fēng)量隨開(kāi)門時(shí)間的變化曲線。

利用無(wú)指向性風(fēng)速傳感器對(duì)庫(kù)門附近10個(gè)點(diǎn)的當(dāng)?shù)仫L(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，風(fēng)速傳感器的布置位置如圖2所示。

圖2 風(fēng)速傳感器位置圖（單位：mm）Fig.2 The dimensions and locations of the wind speed sensors

實(shí)驗(yàn)分別考慮了庫(kù)門開(kāi)度、庫(kù)內(nèi)外溫差和冷風(fēng)機(jī)開(kāi)／關(guān)3種因素對(duì)滲風(fēng)的影響。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions

此外，圖1和圖2中每個(gè)傳感器表面都粘貼了一個(gè)熱電偶，用來(lái)測(cè)量傳感器的當(dāng)?shù)販囟取?/p>

3 結(jié)果和分析

3.1 滲風(fēng)量驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中，已對(duì)滲風(fēng)量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析，滲風(fēng)量的最大測(cè)量誤差為±9%。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滲風(fēng)量和模擬計(jì)算得到的滲風(fēng)量之間的比較如圖3所示。

從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滲風(fēng)量結(jié)果來(lái)看，滲風(fēng)量隨室內(nèi)外溫差降低而減小，隨風(fēng)機(jī)開(kāi)啟而減小，隨庫(kù)門開(kāi)度減小而減小，隨時(shí)間的變化近似為一條直線。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體上較接近，特別是在開(kāi)門時(shí)間40 s內(nèi)，誤差均低于±10%。在風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)模擬預(yù)測(cè)值均偏低，在風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)模擬值在小溫差時(shí)均略高于實(shí)驗(yàn)值，在大溫差時(shí)無(wú)明顯規(guī)律。

3.2 測(cè)量點(diǎn)風(fēng)速和溫度驗(yàn)證

對(duì)于風(fēng)速和溫度的驗(yàn)證，本文主要對(duì)比了庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃情況下風(fēng)機(jī)開(kāi)和風(fēng)機(jī)關(guān)兩種工況。其它工況也進(jìn)行了驗(yàn)證，但當(dāng)庫(kù)門和溫差均最大時(shí)，氣流交換更加強(qiáng)烈，驗(yàn)證這兩種極限情況可能更具有代表性，因此其它工況的驗(yàn)證不再贅述。

庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)關(guān)的情況下，模擬風(fēng)速值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的風(fēng)速值比較如圖4所示。

圖4中各對(duì)比圖是按照?qǐng)D2中各風(fēng)速測(cè)點(diǎn)位置排列的，可大致表征庫(kù)門平面的風(fēng)速分布情況，下文中圖5～圖7和圖4的排列方式一致。

從圖4中可以看到，模擬風(fēng)速和測(cè)量風(fēng)速均較為接近，而且在60 s時(shí)能夠和測(cè)量風(fēng)速趨于一致，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)庫(kù)門下部的模擬結(jié)果要優(yōu)于庫(kù)門上部的模擬結(jié)果，說(shuō)明在風(fēng)機(jī)關(guān)閉的情況下，非穩(wěn)態(tài)RANS模型對(duì)于庫(kù)門下部的氣流風(fēng)速有很好的模擬精度。

圖5所示為庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)開(kāi)情況下的風(fēng)速對(duì)比圖。從整體上看，圖5中的模擬風(fēng)速結(jié)果略差于圖4，而且測(cè)量風(fēng)速的波動(dòng)大于圖4的測(cè)量風(fēng)速，這可能是受風(fēng)機(jī)所帶來(lái)的水平方向風(fēng)場(chǎng)影響。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，庫(kù)門上部的模擬結(jié)果要優(yōu)于庫(kù)門下部的模擬結(jié)果，而這恰好和圖4的結(jié)論相反。

圖6所示為庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)關(guān)情況下的溫度對(duì)比圖。

圖6中庫(kù)門下部的模擬結(jié)果較庫(kù)門上部的模擬結(jié)果準(zhǔn)確，變化趨勢(shì)也相同，這和圖4中風(fēng)速對(duì)比結(jié)果的結(jié)論一致，說(shuō)明非穩(wěn)態(tài)RANS對(duì)于風(fēng)機(jī)關(guān)情況下庫(kù)門下部的溫度也有很好的模擬精度。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算滲風(fēng)量的比較Fig.3 Infiltration air volume of the experimental measurement vs.model simulation

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算風(fēng)速的比較（庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)關(guān)）Fig.4 Wind velocity of the experimental measurement vs.model simulation（with door full open，ΔT＝50℃and cooling fans off）

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算風(fēng)速的比較（庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)開(kāi)）Fig.5 Wind velocity of the experimental measurement vs.model simulation（with door full open，ΔT＝50℃ and cooling fans on）

圖7所示為庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)開(kāi)情況下的溫度對(duì)比圖。其中，庫(kù)門左側(cè)的模擬結(jié)果受風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)的影響較右側(cè)的模擬結(jié)果差。從庫(kù)門左側(cè)上部測(cè)量溫度上升緩慢，而模擬溫度瞬間即達(dá)到室外溫度來(lái)看，也可以說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)的回風(fēng)對(duì)該處的溫度造成了影響。進(jìn)而說(shuō)明RANS模型對(duì)該處的復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)的溫度模擬存在局限性。

圖8所示為庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)開(kāi)和風(fēng)機(jī)關(guān)情況下庫(kù)內(nèi)溫度的對(duì)比圖。

圖8中風(fēng)機(jī)關(guān)情況下，庫(kù)門下部溫度模擬結(jié)果較庫(kù)門上部準(zhǔn)確，這和風(fēng)速及溫度的模擬結(jié)論相同。風(fēng)機(jī)開(kāi)情況下，由于采用了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度值作為風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的邊界條件，模擬結(jié)果非常接近。因此RANS模型對(duì)于滲風(fēng)有效區(qū)域的預(yù)測(cè)存在一定局限性，圖8（a）左圖顯示模擬溫度快速達(dá)到室外溫度，而測(cè)量溫度緩慢上升，由此可知，該區(qū)域在模擬算例中已經(jīng)被室外熱空氣填充，但在實(shí)驗(yàn)中室外熱空氣可能并未直接到達(dá)此區(qū)域。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算空氣溫度的比較（庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)關(guān)）Fig.6 Air temperature of the experimental measurement vs.model simulation（with door full open，ΔT＝50℃and cooling fans off）

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算空氣溫度的比較（庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)開(kāi)）Fig.7 Air temperature of the experimental measurement vs.model simulation（with door full open，ΔT＝50℃ and cooling fans on）

圖8 庫(kù)內(nèi)空氣測(cè)量溫度和模擬計(jì)算溫度的比較（庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃）Fig.8 Indoor air temperature of the experimental measurement vs.model simulation（with door full open，ΔT＝50℃）

3.3 庫(kù)門滲風(fēng)特性及機(jī)理分析

圖9所示為庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃，風(fēng)機(jī)開(kāi)和風(fēng)機(jī)關(guān)情況下的庫(kù)門垂直截面溫度分布圖。

整體來(lái)看，在任意時(shí)刻風(fēng)機(jī)開(kāi)時(shí)庫(kù)內(nèi)溫度都比風(fēng)機(jī)關(guān)時(shí)低，這是由于受風(fēng)機(jī)水平方向風(fēng)場(chǎng)的影響，熱空氣很難滲透到庫(kù)內(nèi)，而只會(huì)在庫(kù)門附近出現(xiàn)冷熱空氣交換，進(jìn)而使冷空氣流出較少，也使庫(kù)內(nèi)的溫度上升較緩。此外，冷空氣在門底部流出的區(qū)域面積基本保持不變，而且?guī)靸?nèi)外空氣密度差較小，冷空氣受重力影響的變化不大，這也就解釋了滲風(fēng)量隨時(shí)間呈線性變化的原因。

兩種情況下，庫(kù)外熱空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)和庫(kù)內(nèi)冷空氣流出到庫(kù)外都會(huì)形成一個(gè)冷熱空氣的交界區(qū)域，而且在風(fēng)機(jī)關(guān)閉的情況下，在庫(kù)門頂部也會(huì)形成這樣一個(gè)交界區(qū)域，而該區(qū)域附近會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流交換并且形成較大的溫差。在模型驗(yàn)證中，從3.2節(jié)的分析中可以看出，非穩(wěn)態(tài)RANS模型對(duì)于這些區(qū)域的模擬精度都略差，這說(shuō)明對(duì)于復(fù)雜空氣流動(dòng)和大溫差情況的模擬非穩(wěn)態(tài)RANS模型很難做到準(zhǔn)確。

圖9 庫(kù)門垂直截面溫度分布圖（庫(kù)門開(kāi)度100%，溫差50℃）Fig.9 Temperature distribution diagram of the vertical cross section of the doorway plane（with door full open，ΔT＝50℃）

4 結(jié)論

本文首先針對(duì)冷庫(kù)庫(kù)門的滲風(fēng)動(dòng)態(tài)過(guò)程建立了基于非穩(wěn)態(tài)RANS模型的滲風(fēng)模擬模型，然后利用一座庫(kù)體高度和庫(kù)門高度之比為2：1的特定冷庫(kù)進(jìn)行了庫(kù)門滲風(fēng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，包括滲風(fēng)量、庫(kù)門平面處的實(shí)時(shí)風(fēng)速以及當(dāng)?shù)販y(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度等。并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，然后利用該模型對(duì)滲風(fēng)的特性和機(jī)理進(jìn)行了模擬分析。得到的主要結(jié)論如下：

1）冷庫(kù)庫(kù)門的滲風(fēng)量隨庫(kù)內(nèi)外溫差降低而減小，隨風(fēng)機(jī)開(kāi)啟而減小，隨庫(kù)門開(kāi)度減小而減小，隨時(shí)間的變化近似為一條直線。

2）利用非穩(wěn)態(tài)RANS模型模擬得到的滲風(fēng)量，在所有工況中都和實(shí)驗(yàn)測(cè)量得的滲風(fēng)量結(jié)果相近，在開(kāi)門時(shí)間40 s內(nèi)誤差在±10%以內(nèi)。模擬和實(shí)驗(yàn)得到的風(fēng)速和溫度結(jié)果比較來(lái)看，對(duì)于氣流交換強(qiáng)烈和溫差很大的區(qū)域，例如，冷熱空氣的交界面，非穩(wěn)態(tài)RANS模型的模擬精度不高，但對(duì)于氣流較穩(wěn)定的區(qū)域，如風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)庫(kù)門下部區(qū)域，則和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值有很好的吻合。

3）受風(fēng)機(jī)水平方向風(fēng)場(chǎng)影響，熱空氣很難滲透到庫(kù)內(nèi)，因此在任意時(shí)刻風(fēng)機(jī)開(kāi)時(shí)庫(kù)內(nèi)溫度均比風(fēng)機(jī)關(guān)時(shí)低。此外，冷空氣在門底部流出的區(qū)域面積基本保持不變，且?guī)靸?nèi)外空氣密度差較小，冷空氣受重力影響的變化不大，因此滲風(fēng)量隨時(shí)間呈線性變化。

［1］United States Department of Agriculture（USDA）.Capacity of Refrigerated Warehouses 2015 summary［R］.Washington：Natural Agricultural Statistics Service，2016.

［2］Evans J A，F(xiàn)oster A M，Huet J M，et al.Specific energy consumption values for various refrigerated food cold stores［J］.Energy and Buildings，2014，74：141-151.

［3］中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)冷鏈物流專業(yè)委員會(huì).中國(guó)冷鏈物流發(fā)展報(bào)告2015［R］.北京：中國(guó)財(cái)富出版社，2015.（China Federation of Logistics＆Purchasing.China coldchain logistics development report［R］.Beijing：China Fortune Press，2015.）

［4］Evans J A，Hammond E C，Gigiel A J，et al.Assessment of methods to reduce the energy consumption of food cold stores［J］.Applied Thermal Engineering，2014，62（2）：697-705.

［5］Hayati A，Mattsson M，Sandberg M.Evaluation of the LBL and AIM-2 air infiltration models on large single zones：Three historical churches［J］.Building and Environment，2014，81：365-379.

［6］Chen P，Cleland D J，Lovatt S J，et al.An empirical model for predicting air infiltration into refrigerated stores through doors［J］.International Journal of Refrigeration，2002，25（6）：799-812.

［7］Brown W G，Solvason K R.Natural convection in openings through partitions-1，vertical partitions［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1963，5：859-868.

［8］Foster A M，Swain M J，Barrett R，et al.Experimental verification of analytical and CFD predictions of infiltration through cold store entrances［J］.International Journal of Refrigeration，2003，26（8）：918-925.

［9］Micheaux T L，Ducoulombier M，Moureh J，et al.Experimental and numerical investigation of the infiltration heat load during the opening of a refrigerated truck body［J］. International Journal of Refrigeration，2015，54：170-189.

［10］Gan G.Effective depth of fresh air distribution in rooms with single-sided natural ventilation［J］.Energy and Buildings，2000，31（1）：65-73.

［11］Ghazi C J，Marshall J S.A CO2tracer-gas method for local air leakage detection and characterization［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2014，38：72-81.

［12］Chen Q Y.Ventilation performance prediction for buildings：A method overview and recent applications［J］.Building and Environment，2009，44（4）：848-858.

［13］Shafqat H，Patrick H O，Abdulrahim K.Evaluation of various turbulence models for the prediction of the airflow and temperature distributions in atria［J］.Energy and Buildings，2012，48：18-28.

［14］ANSYS，Inc.ANSYS Fluent Tutorial Guide［EB／OL］.（2013-11-20）［2016-08-23］.http：／／www.ansys.com，2013.

［15］Jiang Y，Chen Q Y.Buoyancy-driven single-sided natural ventilation in buildings with large openings［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（6）：973-988.

Study on Infiltration Through Doorway of Cold Store based on Unsteady RANS Model

Tian Shen1，2Shao Shuangquan1Zhang Kunzhu3Tian Changqing1
（1.Technical Institute of Physics and Chemistry，CAS，Beijing，100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China；3.Tsinghua University，Beijing，100084，China）

Because the total gross of cold stores is increasing，the energy consumption of cold stores is attracting increasing attention.Infiltration through the doorway，which accounts for a large part of the total heat load，has become an important research focus with regard to the energy consumption of the cold store.In this paper，by using an unsteady RANS model，a transient infiltration simulation model is established.By utilizing a cold store with height ratio between the cold store and the door 2∶1，experimentally measured data under conditions with different temperature differences and operation modes of the cooling fans are used to validate the model.The results show that the predicted value and change trends of the infiltration air volume，local wind speed，and temperature of the established model agree well with the experimental data.The predicted error for the infiltration air volume before 40 s of door-open time is±10%.By using this model，the characteristics and mechanism of the infiltration are analyzed.The results show that，owing to the effect of the airflow made by cooling fans，the temperature in the cold store when the fans are on is lower than that when the fans are off.There is little density difference between the warm air and the cold air.The gravity imposed on the cold air has little variation.Thus，the infiltration air volume changes linearly with the door-open time.

cold store；infiltration；temperature field；simulation

TB61＋1；TU249.8；TP391.9

：A

0253－4339（2017）03－0063－08

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.063

邵雙全，男，博士，副研究員，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，（010）82543433-8，E-mail：shaoshq＠m(xù)ail.ipc.ac.cn。研究方向：高效熱濕環(huán)境控制、復(fù)雜制冷系統(tǒng)仿真與優(yōu)化、數(shù)據(jù)中心與電子產(chǎn)品冷卻、冷鏈技術(shù)與裝備和氣動(dòng)噪音控制。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51676199）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFE0114300）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51676199）and the National Key Research and Development Program of China（No.2016YFE0114300）.）

2016年9月5日

About the corresponding author

Shao Shuangquan，male，Ph.D.associate professor，Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences， ＋86 10-82543433-8，E-mail：shaoshq＠ mail.ipc. ac.cn.Research fields：efficient thermal and humidity control，simulation of complex refrigeration and air conditioning system，cooling of electronics and data center，cold chains and noise control.