柑橘地面通風貯藏庫熱壓通風降溫性能分析

徐勤超，李善軍，陳 紅，潘海兵

(華中農業(yè)大學工學院/農業(yè)部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室，湖北武漢430070)

柑橘的貯藏主要有窖藏、通風庫貯藏、冷藏等方式[1]。地窖貯藏簡便易行、成本低廉，適合果農分散貯藏。機械冷庫通過調節(jié)庫內的溫度、濕度以及進行通風換氣，可顯著延長柑橘的貯藏期，但是冷庫無法利用自然冷源，運行成本高。通風貯藏庫作為一種低成本的柑橘貯藏建筑，在冬春季節(jié)，貯藏效果良好，現(xiàn)已廣泛應用于贛南地區(qū)和湖北宜昌地區(qū)。

通風貯藏庫主要依靠庫外風力形成的風壓和庫內外空氣溫度差形成的熱壓促使庫外冷空氣流入、庫內熱空氣排出，從而達到通風降溫的目的。由于風壓通風受地形、附近建筑物及樹木等障礙物的影響，而且?guī)焱庾匀伙L向與風速具有不斷變化的特點，因此，風壓對自然通風效果的影響是不穩(wěn)定的。在工程實踐中，對于主要依靠熱壓通風的建筑，設計時僅考慮熱壓的作用，對風壓的影響僅進行定性分析；而對于主要依靠風壓通風的建筑，為保證通風效果，室外風速根據(jù)統(tǒng)計資料的較低值進行計算[2]。

目前，針對柑橘通風貯藏庫的研究，主要集中在庫內環(huán)境對柑橘品質變化的影響方面，而針對柑橘通風貯藏庫通風機理的研究還較少[3-11]。為了改善柑橘通風貯藏庫的通風性能，就必須對庫內的氣流量的大小、氣流速度分布、溫度分布等情況有很好的了解。本文在瞬態(tài)熱壓自然通風理論的基礎上，采用計算流體力學方法，對柑橘通風貯藏庫瞬態(tài)熱壓自然通風進行數(shù)值模擬，得出瞬態(tài)熱壓自然通風氣流特性的規(guī)律，對于弄清熱壓通風在貯藏庫通風降溫中所起的作用，提升柑橘貯藏庫自然通風的效果，改進柑橘通風庫的設計和使用具有重要的意義。

1 物理模型

圖2 柑橘擺放方式Fig.2 The arrangement style of citrus

本文以湖北宜昌地區(qū)典型的柑橘通風單體建筑為原型，其基本尺寸長12 m，寬8 m，屋檐高4 m，屋脊高6 m。進、排風口分布在南北兩個墻面上，每面墻分別設計4個進風口，4個排風口，進、排風口橫向間距為1.2 m；進風口底邊距地面高度0.3 m，大小為0.4 m×1.5 m；出風口頂邊距屋檐距離0.3 m，大小為0.8 m×1.5 m，如圖1。庫內柑橘采取橫列的擺放方式，如圖2。對于熱壓作用下的通風庫的自然通風，由于進、排風口的風速和風向無法預定，將計算區(qū)域向外延伸。一般當研究對象放置在室外區(qū)域中模擬時，室外空間應為研究對象的3～5倍[12-13]，本文取庫外邊界區(qū)域為研究對象的3倍?？紤]到計算量較大，取計算區(qū)域的一半計算，另外一半作對稱處理。

采用ICEM CFD對計算區(qū)域進行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為三維四面體網(wǎng)格。采用非結構化網(wǎng)格劃分方法，將進、排風口、柑橘堆放區(qū)等部位進行局部加密，而且?guī)靸瓤臻g的網(wǎng)格劃分間隔小于庫外空間的網(wǎng)格劃分間隔，總網(wǎng)格劃分數(shù)為197 561，計算網(wǎng)格模型如圖3。

2 數(shù)學模型

為了方便計算，對模型進行如下假設：

(1)假定空氣為連續(xù)，不可壓縮的理想流體；(2)貯藏庫墻壁是絕熱的，不考慮與外界傳熱的影響；(3)假定氣體符合Boussinesq假設[14]。

圖3 計算域網(wǎng)格模型Fig.3 Computational domain mesh model

作為判斷流體運動的類型，主要取決于流動過程中的雷諾系數(shù)是否超過臨界的雷諾系數(shù)值，當Re≤2 300時，流動為層流；當Re≥8 000～12 000時，流動為湍流，當2 300

貯藏庫內的流場應滿足連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，對于流體的流動采用湍流模型中應用最廣泛的k-ε模型，采用標準近壁面處理函數(shù)作為湍流模型近壁處理函數(shù)，k-ε模型中的系數(shù)設置見表1。由于是瞬態(tài)的流動，控制方程通用的表示形式為：

(1)

式中:ρ為密度，kg/m3；u為速度矢量，m/s；t為時間，s；φ為廣義變量；Γ為相應于φ的廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

表1 k-ε模型中采用的經驗常數(shù)

對于對流換熱問題，在滿足穩(wěn)定性條件的范圍內， QUICK 格式具有較高的準確性，可以有效的減少假擴散現(xiàn)象的發(fā)生，而且在物理平面的坐標系中，具有較好的準確度。因此本文模擬選用 QUICK 格式做為控制方程離散方程的離散格式。熱壓自然通風主要是依靠浮升力的作用的一種通風方式，在流體計算中Boussinesq模型是計算浮升力的一種有效手段，因此在設置流體材料時選擇伯松尼克假設進行計算。Boussinesq 模型的表達式如下[9]：

(ρ-ρ0)g?-ρ0β(T-T0)g

(2)

(3)

式中:ρ為密度，kg/m3；ρ0為參考空氣的密度，取1個大氣壓，溫度為25 ℃時對應的空氣密度1.18 kg/m3[10]；T為空氣絕對溫度，K；T0為參考空氣的絕對溫度，K；β是空氣的熱膨脹系數(shù)，25 ℃時空氣的熱膨脹系數(shù)為0.003 35 K-1。

3 邊界條件及求解

本文的模擬是將通風貯藏庫置于一個大的室外空間中展開的，庫體進、排氣口設置為內部的邊界條件；庫體墻面設置為絕熱邊界條件；柑橘采收后在產地一般會經過預貯，以消除田間熱，一般情況下都是平鋪或者原框置于庫內，框高也比較低，故可簡化為平面熱源。根據(jù)柑橘貯藏的呼吸強度及貯存量估算，設置果堆區(qū)域為定熱流邊界條件12 w/m2[16]；庫外計算區(qū)域邊界默認為固壁邊界，庫體和計算區(qū)域的對稱面設置為對稱邊界條件。初始條件設置為：庫內初始溫度為15 ℃，庫外初始溫度為5 ℃。

4 結果及分析

4.1 瞬態(tài)的熱壓通風量

對典型柑橘通風貯藏庫瞬態(tài)熱壓自然通風進行數(shù)值模擬，得到通風庫單墻面上進氣口的通風量隨時間變化關系如圖4。初始時刻單墻面上進氣口的通風量為1.75 m3/s，則全庫的進氣口通風量為3.5 m3/s，隨著通風過程的進行，庫內余熱逐漸排出，室內溫度逐漸降低，室內外壓差也逐漸降低，瞬時通風量逐漸減小。在300 s時，庫內產熱量和排熱量基本達到穩(wěn)定，通風量也基本達到穩(wěn)定，單墻面上進氣口的通風量為0.48 m3/s，然后進氣口的通風量基本穩(wěn)定，一直持續(xù)到仿真結束時刻。參考文獻[2]對熱壓通風量的計算公式，取初始時刻的狀態(tài)條件，進、排風口流量系數(shù)為豎軸板式進風窗對開窗情況，取值0.65[17]，計算進風口的通風量為3.85 m3/s，兩種方法計算結果相差約9%，驗證了仿真模型的正確性。

圖4 通風庫單面墻進氣口的通風量隨時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of inlet ventilation flux in single wall of the ventilation storage

4.2 瞬態(tài)的氣流速度分布

根據(jù)模擬，得到庫內氣流速度分布云圖。圖5～8是不同時刻，整個計算區(qū)域中間縱截面的速度分布云圖?？梢钥闯?，庫內進口處和庫外出口處兩個區(qū)域氣流速度較大，這是由于室外冷空氣從庫底進氣口進入庫內，室內熱空氣從屋檐下方的排氣口排出庫外形成的氣流，這兩個區(qū)域氣流速度比較大，且隨著通風過程的進行，這兩個氣流區(qū)域的流速是逐漸變小的。從庫內氣流分布看，進氣口附近氣流速度比較大，且氣流沿庫底部流到對稱面然后上升，進氣口、排氣口中間部分靠近墻壁的空間氣體流動較少，在庫頂部分空氣流動也很少。

圖5 10 s時計算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.5 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 10 s

圖6 100 s時計算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.6 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 100 s

圖7 200 s時計算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.7 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 200 s

圖8 300 s時計算區(qū)域中間縱截面的速度分布Fig.8 The velocity distribution of the middle longitudinal section at 300 s

4.3 瞬態(tài)的庫內溫度分布

圖9～14是不同時刻庫內溫度分布云圖。由圖可知，初始時刻庫內溫度為15 ℃且分布均勻，通風開始后，由于熱壓的作用，庫外5 ℃的冷空氣從進氣口流入庫內，并在庫底部流動到對稱面，流動的過程中，冷空氣被加熱上升。隨著通風過程的進行，室內溫度分布存在分層現(xiàn)象，下部低溫區(qū)溫度由于空氣的流動混勻，存在一定的溫度梯度，而上部高溫區(qū)，溫度變化較小。庫內下部靠近地面和對稱中心面部分由于氣流的作用比較強，溫度降低快。隨著通風時間的增加到300 s時，排氣孔高度以下部分溫度降低到6.5 ℃左右，并基本穩(wěn)定，而排氣孔高度以上部分，由于氣流作用小，熱量沒辦法帶走，所以溫度基本穩(wěn)定在15 ℃左右，降溫效果比較差。

圖9 10 s時的庫內溫度場分布Fig.9 Temperature distribution in storage at 10 s

圖10 50 s時庫內的溫度場分布Fig.10 Temperature distribution in storage at 50 s

圖11 100 s時庫內的溫度場分布Fig.11 Temperature distribution in storage at 100 s

圖12 200 s時庫內的溫度場分布Fig.12 Temperature distribution in storage at 200 s

圖13 300 s時庫內的溫度場分布Fig.13 Temperature distribution in storage at 300 s

圖14 400 s時庫內的溫度場分布Fig.14 Temperature distribution in storage at 400 s

5 結論

本文以湖北宜昌地區(qū)典型的柑橘通風貯藏庫單體建筑為研究對象，對柑橘通風貯藏庫瞬態(tài)熱壓自然通風進行數(shù)值模擬，并對氣流的氣流量的大小、氣流速度分布、溫度分布等情況進行了分析，得出以下結論：

(1)通風量的工程計算數(shù)值和CFD數(shù)值模擬結果基本一致，驗證了仿真模型正確性。

(2)通過對通風量的大小進行分析可知，進、排氣口面積滿足柑橘通風貯藏庫熱壓通風排熱要求，但是從溫度分布來看，庫頂部分由于氣流流動較小，熱量聚集沒法排出，建議在庫頂安裝風囪裝置，增加庫頂部分的通風效果。

(3)通過對庫內氣流分析可知，進氣口、排氣口中間部分靠近墻壁的空間氣體流動較少，可以通過改變進、排氣口的比例及位置來實現(xiàn)對庫內流場的優(yōu)化。