CFD在冷鏈保鮮設(shè)備中的應(yīng)用

宋銳

（山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

改革開(kāi)放30年來(lái)，我國(guó)從一個(gè)食品匱乏的國(guó)家發(fā)展為食品生產(chǎn)大國(guó)。但是在食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)食品冷藏鏈研究滯后，在技術(shù)、設(shè)備、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)管理水平等方面均與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距[1]。以綠色果蔬為例，2012年我國(guó)果蔬冷鏈流通率僅為5%，采后損失率為25%～30%，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1000億元[2]。故而加強(qiáng)食品的冷鏈物流技術(shù)是保證食品品質(zhì)的關(guān)鍵。

食品冷藏鏈?zhǔn)侵敢赘称窂漠a(chǎn)地收購(gòu)或捕撈之后，在產(chǎn)品貯藏、加工、運(yùn)輸、分銷(xiāo)和零售，直到消費(fèi)者手中的各個(gè)環(huán)節(jié)始終處于產(chǎn)品所需的低溫環(huán)境下[3,4]。在眾多的冷卻方法中，空氣冷卻的方式由于技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為冷鏈保鮮設(shè)備的重要冷卻方法，故而冷鏈設(shè)備內(nèi)部流體合適的速度與溫度分布是保障食品儲(chǔ)運(yùn)品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[4,5]。但是通過(guò)求解微分方程的方式得到溫度與速度分布的解析解或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)了解速度與溫度的分布情況，既浪費(fèi)了精力，又浪費(fèi)了金錢(qián)[6]。近些年，計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）由于其強(qiáng)大的模擬能力，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出冷鏈設(shè)備內(nèi)部空氣流動(dòng)類(lèi)型、壓力損失以及傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象，從而準(zhǔn)確獲取在一定外部條件下食品冷卻降溫效果[7,8]，成為優(yōu)化設(shè)計(jì)食品冷鏈設(shè)備的新途徑。

1 CFD的基本理論

根據(jù)流體力學(xué)的基本知識(shí)，自然界內(nèi)的流動(dòng)傳熱現(xiàn)象都可以通過(guò)連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）、動(dòng)量守恒方程（N-S方程）及能量守恒方程來(lái)求解。同時(shí)，流體在實(shí)際對(duì)流換熱過(guò)程中多為湍流流動(dòng)，故而仍需求解湍流方程（k-ε與k-ω方程[9]）。從根本上講，CFD模擬的實(shí)質(zhì)是通過(guò)建模使流體力學(xué)基本的方程組封閉進(jìn)行求解的過(guò)程[10]。在得到計(jì)算結(jié)果后，還可以通過(guò)后處理技術(shù)使計(jì)算結(jié)果可視化，進(jìn)而揭示食品冷鏈儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)的性質(zhì)，為冷鏈設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2 CFD在冷鏈保鮮設(shè)備上的應(yīng)用

2.1 在預(yù)冷設(shè)備中的應(yīng)用

果蔬采收后如果不及時(shí)處理，常溫下極易腐敗變質(zhì)。采用預(yù)冷措施快速降低果蔬的田間熱，對(duì)于保持果蔬的新鮮品質(zhì)非常重要[11,12]。而送風(fēng)參數(shù)（速度、溫度、方向）、包裝箱箱體結(jié)構(gòu)、果蔬擺放方式對(duì)果蔬的預(yù)冷速度有重要的影響，因而針對(duì)以上問(wèn)題，諸多學(xué)者利用CFD技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

Dehghannya等[13]利用CFD將多孔介質(zhì)理論運(yùn)用到果蔬預(yù)冷上，建立了壓差預(yù)冷數(shù)學(xué)模型，采用有限元的方式進(jìn)行計(jì)算，這對(duì)于果蔬壓差預(yù)冷的數(shù)值模擬具有指導(dǎo)作用。Pathare PB等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與CFD模擬的論證得出，當(dāng)包裝箱與內(nèi)部果品水力直徑之比小于10時(shí)，包裝內(nèi)部局部非均勻的空氣流動(dòng)對(duì)其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象會(huì)有較大的影響。他提出在利用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行冷鏈物流的CFD模擬時(shí)要注意其適用范圍。Chau等[15]建立了考慮蒸發(fā)效應(yīng)、呼吸散熱以及果蔬輻射散熱的單體球型果蔬在差壓預(yù)冷過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)CFD數(shù)學(xué)模型，并采用有限差分法進(jìn)行求解。王貴強(qiáng)等[16]將CFD、自然對(duì)流和輻射換熱經(jīng)驗(yàn)公式與傅里葉導(dǎo)熱公式分別計(jì)算食品的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、食品與包裝材料之間的空氣層內(nèi)的傳熱過(guò)程與食品內(nèi)部的傳熱過(guò)程，并通過(guò)迭代的計(jì)算方式將三者結(jié)合。結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的空氣層熱阻處理方式，該模型能夠獲得更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

王強(qiáng)等[17]建立了黃金梨預(yù)冷仿真模型，利用CFD軟件，對(duì)包裝箱內(nèi)直排和叉排兩種擺放形式黃金梨預(yù)冷過(guò)程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，叉排相對(duì)于直排，能將預(yù)冷時(shí)間縮短10%～12%。王強(qiáng)[18]通過(guò)葡萄的差壓通風(fēng)預(yù)冷實(shí)驗(yàn)與CFD模擬得出，開(kāi)孔面積主要影響果蔬的縱向溫度分布，風(fēng)口的流速主要影響溫度的橫向分布。因而，要提高葡萄預(yù)冷的冷卻速度和冷卻均勻性必須合理地選擇壓差以及預(yù)冷包裝箱開(kāi)孔面積。之后，通過(guò)進(jìn)一步研究指出，從預(yù)冷速度、冷卻均勻性以及包裝的角度、預(yù)冷后葡萄的回溫速度、差壓風(fēng)機(jī)功率的大小、干耗等因素綜合考慮，對(duì)于紙質(zhì)葡萄包裝箱，開(kāi)孔直徑最好在28mm左右，開(kāi)孔率保持在15%～20%為宜[19]。

2.2 在冷藏車(chē)中的應(yīng)用

冷藏車(chē)是指用來(lái)運(yùn)輸冷凍或保鮮貨物的封閉式廂式運(yùn)輸車(chē)，內(nèi)部裝有制冷機(jī)組的制冷裝置和聚氨酯隔熱層。可以利用CFD對(duì)冷藏車(chē)內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行不同條件的數(shù)值模擬，能夠克服傳統(tǒng)理論分析法在對(duì)象簡(jiǎn)化和計(jì)算求解方面的不足，突破試驗(yàn)過(guò)程人力物力消耗以及試驗(yàn)周期長(zhǎng)等諸多限制[20]，達(dá)到較好的冷藏運(yùn)輸效果。

Chourasia等[21]利用CFD軟件模擬貨物不同寬高比及貨物堆棧之間不同間隙時(shí)所需要的冷卻時(shí)間，由此來(lái)確定最佳貨物寬高比和垂直水平間隙。張哲等[21]采用CFD軟件Fluent計(jì)算空載車(chē)箱內(nèi)部溫度場(chǎng)，并分析不同堆碼方式對(duì)貨物區(qū)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明采用緊密堆放方式時(shí)斷面平均溫度為-11℃，而間隔堆放時(shí)的斷面平均溫度為-11.5℃，兩種堆碼方式的斷面平均溫度較為接近，但間隔堆放時(shí)貨物中間的間距有利于氣流的均勻分布，并能加快冷板冷藏車(chē)?yán)鋮s速度。陳煥新等[23]以冷板冷藏車(chē)作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在冷藏車(chē)廂體壁面附近處碼放的貨物溫度最高，且間距越大，貨物溫度分布越均勻。故而食品在冷藏車(chē)內(nèi)碼垛時(shí)一定要與車(chē)壁保持一定間距。郭嘉明等[24]通過(guò)對(duì)冷藏車(chē)廂體果蔬擺放的中間及兩側(cè)留空、兩側(cè)留空、一體碼垛三種食品碼垛方式的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明中間及兩側(cè)留空的碼垛方式最佳，溫度分布較為均勻。韓佳偉等[25]建立了冷藏車(chē)車(chē)廂溫度場(chǎng)分布計(jì)算模型。分析結(jié)果表明，制冷溫度為3℃，制冷時(shí)間和關(guān)閉制冷風(fēng)機(jī)階段都為10min，與制冷溫度為0℃，制冷時(shí)間15min和關(guān)閉制冷風(fēng)機(jī)為20min兩種制冷模式下能耗進(jìn)行比較，第一種方式比第二種方式能節(jié)約3.6×105J的能耗。趙鑫鑫等[26]建立多溫區(qū)冷藏車(chē)的傳熱模型，利用CFD軟件研究回風(fēng)導(dǎo)軌對(duì)車(chē)廂內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻性的影響規(guī)律，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：回風(fēng)導(dǎo)軌的布置能夠有效改善車(chē)廂內(nèi)的溫度分布，且對(duì)冷藏區(qū)的影響相比常溫區(qū)稍高。在載貨狀態(tài)下，導(dǎo)軌高度與溫度不均勻系數(shù)近似呈正比例線性分布。張婭妮等[27－29]針對(duì)風(fēng)道布局、送風(fēng)速度等影響因素，利用CFD軟件，建立冷藏車(chē)廂的三維湍流模型并進(jìn)行模擬計(jì)算。研究表明：冷風(fēng)機(jī)緊貼頂部時(shí)，冷風(fēng)會(huì)在冷藏車(chē)車(chē)廂內(nèi)形成貼壁射流，一方面可以隔絕外部熱量，另一方面也更容易將氣流送到車(chē)廂尾部。同時(shí)，適當(dāng)增加向后引導(dǎo)氣流的通風(fēng)管道，冷空氣在車(chē)廂的分布均勻，并降低車(chē)廂前部的氣流強(qiáng)度。

2.3 在冷庫(kù)中的應(yīng)用

冷庫(kù)是食品冷鏈中最重要設(shè)施之一，其主要的用途是食品儲(chǔ)藏。同時(shí)，食品的預(yù)冷也多依托于冷庫(kù)進(jìn)行。然而由于冷庫(kù)的儲(chǔ)藏量大、存儲(chǔ)周期長(zhǎng)，其內(nèi)部貨物易出現(xiàn)溫度分布不均勻，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了食品的質(zhì)量安全。故而利用CFD對(duì)冷庫(kù)內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究，優(yōu)化其送風(fēng)形式、貨物碼垛、以及冷庫(kù)空氣幕，可以提高冷庫(kù)的貯藏質(zhì)量。

Son H.Ho等[30]分別建立了三維完整模型并通過(guò)CFD模擬，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)風(fēng)速越大、制冷源安裝位置越低、離貨物越近，庫(kù)內(nèi)的溫度場(chǎng)越均勻。謝晶等[31]通過(guò)對(duì)小型裝配式冷庫(kù)進(jìn)行CFD模擬與實(shí)驗(yàn)研究，得到冷庫(kù)的空氣流動(dòng)主要是貼附邊界流動(dòng)，同時(shí)在整個(gè)冷庫(kù)的流場(chǎng)中存在著一個(gè)中心大回流區(qū)。芮文琴等[32]通過(guò)對(duì)裝配式冷庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)擺放的位置進(jìn)行CFD模擬研究，得到冷風(fēng)機(jī)布置在冷庫(kù)寬度方向一側(cè)比布置在長(zhǎng)度方向一側(cè)庫(kù)內(nèi)流場(chǎng)均勻，但其對(duì)冷風(fēng)機(jī)直吹的冷庫(kù)墻體的影響較大。故而提出了在冷庫(kù)墻角安裝圓形擋板的方法來(lái)改善冷空氣在冷庫(kù)墻角附近的流動(dòng)情況。孫海亭[33]通過(guò)Fluent軟件，對(duì)冷庫(kù)蘋(píng)果貯藏進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值的變化趨勢(shì)一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.921，表明應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)庫(kù)內(nèi)氣流組織具有可靠性。同時(shí)其還對(duì)冷庫(kù)內(nèi)不同的碼垛方式進(jìn)行了模擬分析，得出庫(kù)內(nèi)蘋(píng)果箱較合理的堆碼方式為：貨垛距墻≥0.50m，垛間距離≥0.50m，垛底墊木高度≥0.09m，貨垛距冷風(fēng)機(jī)≥2.00m，貨垛距庫(kù)底≥0.50m，庫(kù)內(nèi)通道≥1.00m。垛高不能超過(guò)冷風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口[34]。南曉紅等[34]建立了冷庫(kù)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)熱壓作用下冷庫(kù)大門(mén)處的氣體流動(dòng)、壓力變化以及冷庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)變化進(jìn)行CFD模擬。結(jié)果表明：隨著出風(fēng)口速度的減小，中和面的位置逐漸下移，在速度為2m/s的條件下約位于大門(mén)1/2處。同時(shí)其將CFD計(jì)算結(jié)果與穿過(guò)冷庫(kù)大門(mén)空氣滲透速率的幾種經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，得到了模擬與經(jīng)驗(yàn)公式的偏差在19%以?xún)?nèi)。

3 CFD在冷鏈方面應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

CFD具有諸多優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于食品冷鏈行業(yè)中，但其目前仍存在一些需要注意的地方，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）盡可能地使模型及物性參數(shù)的設(shè)置更貼近實(shí)際情況。冷鏈設(shè)備內(nèi)部的流動(dòng)傳熱情況受外界影響相對(duì)較大，同時(shí)，食品與換熱介質(zhì)在降溫過(guò)程中其物性參數(shù)也在不斷的改變。因而盡可能多地考慮外界因素，精確食品與換熱介質(zhì)的熱物性參數(shù)成為合理提高CFD模擬精度的重要因素。

（2）明確合適的求解模型。目前CFD軟件中會(huì)提供多種計(jì)算模型，以Fluent軟件為例，常用的湍流模型包括兩大類(lèi)，即k-ε[22-24]與k-ω[25,36]，兩者均廣泛運(yùn)用于食品冷鏈的數(shù)值模擬中，但兩者具體的適用情況，目前沒(méi)有相對(duì)明確的界定。故而選擇合適的求解方式也是影響CFD模擬精度的重點(diǎn)。

（3）提高網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格的劃分與計(jì)算的精度息息相關(guān)，目前，網(wǎng)格的劃分質(zhì)量要求沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同研究模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求不一樣。同時(shí)網(wǎng)格數(shù)量的劃分也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，雖然諸多學(xué)者在進(jìn)行CFD模擬時(shí)多進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，但關(guān)于無(wú)關(guān)性的要求仍沒(méi)有一個(gè)具體的數(shù)值。

（4）不斷修正，多次求解，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。網(wǎng)格質(zhì)量、計(jì)算模型、物性參數(shù)、邊界條件均會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。因而模擬結(jié)果要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并不斷修正參數(shù)，這樣模擬結(jié)果才能更接近實(shí)際。