小型冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

李藝哲,謝 晶

上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海 201306

小型冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

李藝哲,謝 晶*

上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海 201306

本文利用數(shù)值模擬技術(shù)模擬了開(kāi)關(guān)門(mén)各30 s過(guò)程中庫(kù)門(mén)附近及庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的變化情況，結(jié)果表明在短時(shí)間的開(kāi)門(mén)過(guò)程中，庫(kù)外空氣能很快滲入庫(kù)內(nèi)并擾亂其溫度場(chǎng)；關(guān)門(mén)后，庫(kù)內(nèi)下部的空氣降溫較快，上部降溫緩慢。因此，在冷庫(kù)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中會(huì)造成一定的能耗損失，應(yīng)在庫(kù)門(mén)處安裝節(jié)能裝置。

冷庫(kù);溫度場(chǎng);數(shù)值模擬

隨著生活水平的提高，人們對(duì)冷凍食品的的質(zhì)量要求越來(lái)越高，這推動(dòng)了冷庫(kù)的快速發(fā)展，但是冷庫(kù)的設(shè)計(jì)也存在很多問(wèn)題，不合理的設(shè)計(jì)會(huì)造成庫(kù)內(nèi)氣流分布不均勻，造成能源的浪費(fèi)[1-7]。特別是在冷庫(kù)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，由于庫(kù)內(nèi)外溫度差別較大，庫(kù)門(mén)處會(huì)產(chǎn)生熱濕、熱質(zhì)交換，導(dǎo)致庫(kù)門(mén)處不同程度的結(jié)霜、庫(kù)溫升高、熱負(fù)荷增加等諸多問(wèn)題[8]。近年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果。本文利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，以及數(shù)值模擬理論，對(duì)一冷庫(kù)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，庫(kù)門(mén)處溫度場(chǎng)的變化情況進(jìn)行模擬，為下一步的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 模型建立

選取上海市楊浦區(qū)某冷庫(kù)為研究對(duì)象，該庫(kù)的內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)×寬×高＝4.2 m×3.6 m×3.0 m。冷庫(kù)采用吊頂排管式蒸發(fā)器制冷，由于研究要采用非穩(wěn)態(tài)模型的運(yùn)算量極大，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算水平有限，為了得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，應(yīng)對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，因而將蒸發(fā)器模型簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，其尺寸為長(zhǎng)×寬×高＝3.6 m×3.0 m×0.38 m。冷庫(kù)門(mén)位于中間，尺寸為長(zhǎng)×高＝1.2 m×2.0 m。冷庫(kù)壁面采用0.15 m厚的保溫隔熱層。冷庫(kù)的三維模型如圖1所示。

圖1 冷庫(kù)模型Fig.1 The model of a cold store

2 邊界條件的設(shè)定

當(dāng)有貨物進(jìn)出冷庫(kù)時(shí)，庫(kù)門(mén)需要開(kāi)啟，而門(mén)附近的流體由于氣壓和風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換，這不僅嚴(yán)重破壞庫(kù)內(nèi)的流場(chǎng)分布，還影響食品的凍結(jié)質(zhì)量。因此，本文分別對(duì)開(kāi)關(guān)門(mén)10 s,20 s,30 s三個(gè)時(shí)間點(diǎn)庫(kù)門(mén)附近的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。

對(duì)蒸發(fā)器采用恒溫壁面，t=-22℃；對(duì)于冷庫(kù)壁面采用第二類邊界條件，壁面總熱阻為5.193，室內(nèi)外設(shè)計(jì)溫度分別為-20℃、20℃，因此可求得壁面的熱流密度q=7.68 W/㎡；開(kāi)門(mén)時(shí)，門(mén)附近的流體處于自然對(duì)流狀態(tài)，此時(shí)可采用速度入口，V=0.2 m/s，t=20℃；關(guān)門(mén)時(shí)，庫(kù)門(mén)設(shè)為壁面。

3 計(jì)算及結(jié)果分析

模擬中前處理采用CAD和GAMBIT軟件進(jìn)行幾何建模及網(wǎng)格劃分，為了使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)置為0.25，一共生成大約226000個(gè)網(wǎng)格。將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件中，并設(shè)置上述的邊界條件，采用SIMPLEC算法來(lái)求解壓力、速度的耦合。在計(jì)算過(guò)程中，將門(mén)設(shè)為壁面，先計(jì)算冷庫(kù)穩(wěn)態(tài)的結(jié)果，再將此結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)情況的初始條件進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)模擬計(jì)算先得到冷庫(kù)在穩(wěn)態(tài)條件下的結(jié)果，如圖2所示的三維溫度場(chǎng)分布圖以及圖3的截面圖，兩圖反映出庫(kù)內(nèi)的溫度基本分布均勻，達(dá)到了冷庫(kù)所需的溫度，但在庫(kù)內(nèi)的拐角處溫度偏高。

圖2 穩(wěn)態(tài)結(jié)果的溫度場(chǎng)Fig.2 The temperature field of steady state

圖3 穩(wěn)態(tài)結(jié)果的截面溫度場(chǎng)Fig.3 The sectional temperature field of steady state

為了更清晰直觀地研究在非穩(wěn)態(tài)過(guò)程中庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的分布，本文選取了兩個(gè)具有代表性的截面Z=1.7 m，Z=2.85 m。由模擬結(jié)果圖4、5可以看出，開(kāi)門(mén)后10 s時(shí)，庫(kù)門(mén)處發(fā)生了強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換，室外的熱空氣逐漸滲入庫(kù)內(nèi)；20 s時(shí)，外界空氣對(duì)庫(kù)內(nèi)的影響范圍不斷加大，庫(kù)門(mén)附近上部的流體溫度升高較快，并不斷從上部向庫(kù)內(nèi)蔓延，這是由于冷空氣的密度比熱空氣大，開(kāi)門(mén)后，外界的一部分熱空氣從庫(kù)門(mén)上部流進(jìn)庫(kù)內(nèi)；30 s時(shí)，庫(kù)內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，冷庫(kù)內(nèi)的大部分空氣都受到不同程度的影響，但上部的整體溫度還是比下部略高。圖6、7分別是關(guān)門(mén)10 s、20 s、30 s的溫度場(chǎng)截面，當(dāng)冷庫(kù)門(mén)關(guān)閉后10 s時(shí)，冷庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)變化不是很大；20 s時(shí)，庫(kù)內(nèi)的熱空氣由于密度作用流向頂部，下部溫度逐漸下降，上部空氣降溫較慢；30 s時(shí)，庫(kù)內(nèi)下部的空氣大面積降溫。庫(kù)內(nèi)上部的空氣雖然也在降溫，但由于大量的熱空氣導(dǎo)致此區(qū)域溫度下降較緩慢，因此，庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)若要恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，還需一段時(shí)間。

圖4 開(kāi)門(mén)10 s、20 s、30 s的溫度場(chǎng)截面圖（Z=1.7 m）Fig.4 The sectional temperature fields when opening door at 10 s,20 s,30 s(Z=1.7 m)

圖5 開(kāi)門(mén)10 s、20 s、30 s的溫度場(chǎng)截面圖（Z=2.85 m）Fig.5 The sectional temperature fields when opening door at 10 s,20 s,30 s(Z=2.85 m)

圖6 關(guān)門(mén)10 s、20 s、30 s的溫度場(chǎng)截面圖（Z=1.7 m）Fig.6 The sectional temperature fields when closing door at 10 s,20 s,30 s(Z=1.7 m)

圖7 關(guān)門(mén)10 s、20 s、30 s的溫度場(chǎng)截面圖（Z=2.85 m）Fig.7 The sectional temperature fields when closing door at 10 s,20 s,30 s(Z=2.85 m)

4 小結(jié)

本文使用FLUENT軟件對(duì)冷庫(kù)開(kāi)關(guān)門(mén)的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷庫(kù)在開(kāi)關(guān)門(mén)的過(guò)程中，由于在庫(kù)門(mén)處產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換，庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)受到劇烈擾動(dòng)，特別在庫(kù)門(mén)處及庫(kù)門(mén)上部影響更加嚴(yán)重。為了保證冷庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)波動(dòng)較小，避免庫(kù)門(mén)處和排管結(jié)霜嚴(yán)重的現(xiàn)象，以及降低冷庫(kù)運(yùn)行的能耗，可在庫(kù)門(mén)處安裝空氣幕機(jī)來(lái)有效阻隔外界的空氣，同時(shí)，在庫(kù)頂加裝風(fēng)扇使上部空氣加速流動(dòng)。本研究是以空庫(kù)為研究對(duì)象，模擬結(jié)果較好的預(yù)測(cè)了冷庫(kù)開(kāi)關(guān)門(mén)的實(shí)際情況，希望能為下一步對(duì)帶貨物冷庫(kù)的研究打下基礎(chǔ)。

[1]謝 晶,吳 天.小型冷庫(kù)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2006,15(3):333-339

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Numerical Simulation of Temperature Field in Small Cold Store

LI Yi-zhe,XIE Jing*
College of Food Science and Technology/Shanghai Ocean University,Shanghai201306,China

This paper simulated the temperatures changes nearby cold store door and inside cold store whenever the door was open and closed 30 S respectively with the numerical simulation technology.The results showed outside air was able to enter room and disturb the temperature field during a moment of opening the door.After closing the door,the air in the lower part of the storehouse is cooled rapidly,and the upper part is cooled slowly.Cold store door opening and closing process will cause some energy loss,energy saving device should be installed in the door.

Cold store;temperature field;numerical simulation

P412.11

A

1000-2327(2017)04-0525-03

2017-02-16俢回日期:2017-03-23

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2016YFD0400303);上海市科委平臺(tái)能力提升項(xiàng)目(16DZ2280300)

李藝哲(1989-),男,碩士研究生.主要研究方向?yàn)閯?dòng)力工程.E-mail:liyizhemt@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:jxie@shou.edu.cn