送風參數(shù)對巖心冷柜內溫度場影響的CFD研究

劉澤勤 于永杰 李 杰

(天津商業(yè)大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

巖心作為一種重要的實物地質材料[1-2]，開采成本昂貴，若不能妥善儲藏會導致其結構和物理特性發(fā)生質變，將對巖心資源造成極大的浪費，儲藏的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)直接影響巖心的品質，對于一些特殊巖心更需要恒溫恒濕的儲藏條件來模擬巖心本身所存在的環(huán)境，保證巖心中各成分不發(fā)生明顯變化[3]。目前巖心庫多采用大型冷庫進行儲藏，但大型冷庫占地面積大，建設成本和初投資較高，對于巖心總量少的企業(yè)機構，使用大型冷庫庫存率低，制冷系統(tǒng)卻要為整個冷庫提供冷量，能源消耗高，代價較大[4]。自動化立體巖心冷藏柜為巖心總量少的中小型企業(yè)機構探索了新思路新方案，其由多組獨立控制的小空間冷柜組合而成，自動化程度高，克服了初投資和運行成本高的問題，但由于縱向較高，更容易出現(xiàn)溫度分布不均勻現(xiàn)象，若不能對其內部氣流組織進行優(yōu)化，很難滿足用戶單位對整個冷柜溫度精度控制的要求。巖心冷柜內的溫度分布很大程度取決于送風參數(shù)(送風溫度、送風速度)，送風參數(shù)的差異直接影響冷柜內部溫度場分布，也直接影響到巖心儲藏品質，因此采用合理的送風參數(shù)控制溫度波動范圍至關重要。

計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)用于求解各種流體的流動和換熱問題[5-7]。國內外學者基于CFD技術對冷庫內部氣流組織的影響因素進行了研究，為CFD技術在實際工程中的應用提供有力理論支持。胡耀華等[8]通過數(shù)值模擬對一間裝配式獼猴桃冷庫進行研究分析,證明CFD數(shù)值模擬在冷庫內流場設計切實可行。芮文琴[9]利用數(shù)值模擬方法采用不同送風方式對小型裝配式冷庫進行研究，得出影響冷庫內部氣流組織的主要因素為送風方式、送風速度等，為冷庫優(yōu)化設計提供參考。Z. Ghiloufi等[10]對某大型椰棗冷藏室建立三維CFD模型，確定了合適的預冷條件，大幅縮短了預冷時間，冷藏室內溫度分布更加均勻。尹義金等[11]通過數(shù)值模擬研究了風速對冷庫內部溫度場的影響，在一定范圍內，送風速度的增加促進了對流換熱，冷庫降溫能力增強。劉清江等[12]利用Fluent軟件對高大空間氣流組織分布規(guī)律進行模擬研究，實測結果和模擬結果吻合較好，對高大空間溫度場及速度場的模擬提供了理論支持。O. Rouaud等[13]對食品加工潔凈室分別建立了標準k-ε模型和RNGk-ε模型，通過與實驗結果對比分析，發(fā)現(xiàn)RNGk-ε模型更適合潔凈室的氣流計算。張悅[14]利用實驗研究和數(shù)值模擬相結合的方法，研究了送風速度對船舶冷庫內溫度場和速度場的影響，得出在一定條件下適當增加風速能有效促進氣流組織進一步均勻。白通通[15]通過數(shù)值模擬研究了某蘋果冷庫內部流場，得出豎壁貼附送風更有利于熱量交換，大幅提升了冷庫內氣流的均勻性。

本文結合某地質研究所自動化立體巖心冷柜建設項目實際情況，以雷諾準則、弗勞德準則、歐拉準則等為依據(jù)[16]，建立工程原型與實驗模型間主要的流體流動和換熱特征對應關系，并搭建相應模型實驗臺，運用實驗研究和數(shù)值模擬相結合的方法，研究送風溫度和送風速度對巖心冷柜溫度場分布的影響，得到最優(yōu)送風參數(shù)，保證冷柜內部溫度均勻合理，控制溫度波動范圍和巖心儲藏品質，為立體冷柜的工程實踐提供理論支撐。

1 數(shù)值計算模型

1.1 物理模型

本課題數(shù)值模擬的模型依據(jù)相似性原理將某地質所一組巖心冷柜按相似比2∶1進行縮小，原型冷柜空間尺寸為4 000 mm(長)×1 000 mm(寬)×8 300 mm(高)，故按相似比縮小后的模型尺寸為2 000 mm(長)×500 mm(寬)×4 150 mm(高)，冷柜壁厚60 mm，模型實驗臺如圖1所示。在冷柜頂部右側設置尺寸為50 mm(長)×500 mm(寬)的送風口，在冷柜頂部左側設置尺寸為50 mm(長)×500 mm(寬)的回風口；模型中巖心均勻放置在巖心托盤上，滿載巖心托盤簡化為800 mm(長)×400 mm(寬)×400 mm(高)的長方體，相鄰兩巖心托盤之間留有200 mm寬空氣流道，左右兩列托盤距冷柜側壁面100 mm，前后壁面各50 mm。冷柜滿負載工況如圖2所示，考慮到巖心區(qū)域數(shù)學模型的復雜性，每一個巖心托盤滿載時簡化為各向異性多孔介質模型[17]，單個巖心簡化為直徑60 mm、長800 mm的圓柱實體，物理模型如圖3所示。

圖1 巖心冷柜模型實驗臺

圖2 巖心冷柜模型

圖3 滿載巖心簡化模型

1.2 數(shù)學模型

為建立一個合適的數(shù)學模型來描述冷柜內部流動換熱的規(guī)律，需對模型進行適當簡化，在巖心冷柜的數(shù)值模擬計算中，進行如下假設：

1)冷柜內部空氣為不可壓縮流體且符合bous-sinesq假設[18]；

2)空氣不可壓縮，不參與反射、輻射；

3)忽略冷柜內貨架等支撐物對流場的影響；

4)巖心為密度均勻的圓柱體；

5)冷柜密封良好，與外界只有熱量傳遞，不存在質交換。

基于上述假設，為使模擬結果更接近實際情況，在冷柜內部流場計算中選用對豎壁貼附射流具有較好預測性能的RNGk-ε模型，描述該模型的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

能量方程：

(2)

動量方程：

(3)

k方程：

(4)

ε方程：

(5)

su為多孔介質的附加阻力，該動量源項由黏性阻力和慣性阻力構成，表達式如下[19]:

(6)

阻力系數(shù)可通過半經(jīng)驗公式Ergun方程求解計算，表達式分別為：

(7)

(8)

式中：vi為巖心區(qū)域的空氣流速，m/s；α為多孔介質的黏性阻力系數(shù)，1/m2；c2為慣性阻力系數(shù)，1/m；Dp為多孔介質的特征長度，m；e為貨物區(qū)的孔隙率。

高度各項異性多孔介質模型可能存在收斂問題，可將其他方向的系數(shù)設置為主流方向的3個數(shù)量級以內，本文設置y、z方向阻力系數(shù)為x方向的1 000倍，各個方向阻力系數(shù)值如表1所示。

表1 阻力系數(shù)

2 邊界條件及網(wǎng)格無關性驗證

模擬前處理使用ICEM軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，對送、回風口及巖心周圍網(wǎng)格進行局部加密，并在Fluent軟件中設定邊界條件和求解方法，使用Tecplot和Origin軟件對模擬結果進行后處理。根據(jù)地質所提供的巖心儲藏情況，多組冷柜并列安置在內有保溫效果的無窗專用大洋巖心庫內，制冷系統(tǒng)設置在冷庫外部，庫內溫度波動受外界影響較小，數(shù)值模擬時冷柜外界溫度取庫內恒定溫度18 ℃；冷柜內計算域分為空氣流體區(qū)域和巖心多孔介質區(qū)域，巖心表面設置為耦合壁面(wall)，初始平均溫度為12.1 ℃；送風口位于冷柜頂部右側，采用豎壁貼附射流組織形式將冷風送入冷柜內部，送風方向垂直于頂板豎直向下，送風邊界條件設置為速度入口(velocity-inlet)，送風速度由風機盤管(標準風盤FP-85,最大風量850 m3/h)的實際調風能力設置三檔風速，分別為3.5、4.2、4.7 m/s，考慮到地質所提供巖心儲藏控制溫度為2.5 ℃±1.5 ℃，送風溫度設為-3、-2、-1、0、1、2 ℃；回風口位于冷柜頂部左側，設置為自然出流邊界條件(outflow)；冷柜壁面設置為無滑移壁面邊界條件(wall)，頂部壁面設置為絕熱邊界條件。

在進行數(shù)值模擬計算之前，為使模擬結果具有較高的可靠性，需對網(wǎng)格無關性進行驗證，圖4所示為典型截面z=0.25 m溫度監(jiān)測點布置(同后文實驗測點設置)。圖5所示分別為送風溫度-3 ℃，送風速度4.2 m/s，網(wǎng)格數(shù)分別為75萬、177萬、257萬、342萬，垂直監(jiān)測線H1、H4和H7的溫度分布情況，可知，當網(wǎng)格較為稀疏，網(wǎng)格數(shù)較少時，溫度值差異較大，模擬結果穩(wěn)定性和準確性較差，當網(wǎng)格數(shù)為257萬和342萬時，三條監(jiān)測線的溫度值基本相同，可以認為網(wǎng)格數(shù)為257萬時已經(jīng)達到了網(wǎng)格獨立解，為節(jié)省計算機資源和計算時間，選取網(wǎng)格數(shù)為257萬的網(wǎng)格進行后續(xù)的數(shù)值模擬計算。

圖4 監(jiān)測點布置

圖5 網(wǎng)格獨立性驗證

3 模型驗證

采用數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方法，研究送風參數(shù)(送風溫度和送風速度)對冷柜內氣流組織分布的影響。為驗證數(shù)值模擬結果的可靠性，取巖心冷柜零負載送風溫度為-3 ℃，送風速度為4.2 m/s，用銅-康銅熱電偶對冷柜內z=0.25 m截面上7×7=49個溫度測點進行實測，將水平監(jiān)測線L2、L4和L6的實測溫度值與模擬值進行對比。圖6所示分別為零負載情況下，水平監(jiān)測線L2、L4和L6實驗值與模擬值溫度對比。由圖6可知，實驗值與模擬值變化趨勢基本一致，擬合程度較高，溫度差值較小。監(jiān)測線L2上各點實驗值和模擬值的最大溫差均不超過0.6 ℃；監(jiān)測線L4上x=0.025 m的位置實驗值和模擬值的差值為1.5 ℃，其余各點溫差均小于0.2 ℃，這是因為模擬時冷空氣從右上側入口處沿著右側壁面向下貼附流動，氣流到達冷柜底面導致射流運動軌跡受限，在慣性力和回風口負壓的綜合作用下，一部分空氣會沿著冷柜左側壁面流向回風口，一部分氣流經(jīng)兩列巖心之間的空氣流道流回頂部回風口處，由于康達效應和壓力梯度的存在，使水平監(jiān)測線L4上靠近左側壁面處測點冷空氣向冷柜內部卷吸，圍護結構傳熱無法被快速帶走，進而導致該處溫度較高；而實驗過程中，由于貨架等支撐物的存在，在冷空氣向下流動的過程中，部分冷量經(jīng)分流被送至冷柜左側，有效消除了由于壁面?zhèn)鳠釋е碌臏厣?，故導致該點模擬值與實驗值相差較大。監(jiān)測線L6上各點實驗值和模擬值基本契合，最大溫差均不超過0.3 ℃。綜上所述，實驗與模擬結果整體吻合度較好，該模型用于數(shù)值計算具有足夠的可靠性，為模擬冷柜內氣流組織提供了理論依據(jù)。

圖6 零負載工況下水平監(jiān)測線L2、L4和L6的溫度模擬值和實驗值對比

4 模擬結果分析

圖7所示為當送風速度為4.2 m/s，送風溫度分別為-3、-2、-1、0、1、2 ℃的工況下，冷柜滿負載運行24 h，典型截面z=0.25 m上的溫度分布。以圖7(d)為例進行分析，氣流組織形式為豎壁貼附射流，冷空氣由頂部右側送風口進入冷柜內后，與冷柜內空氣進行混合，由于送風速度較大，與周圍空氣存在壓力差，卷吸右列上下層巖心之間流道內的空氣，冷空氣與右列巖心以對流換熱為主帶走巖心內部熱量進行冷卻，右列6層巖心位于送風口處，為貼附射流起始段，冷空氣與巖心接觸面積較少，熱交換較差，導致溫度明顯偏高，溫度梯度較大，隨著射流長度的增加，右側壁面摩擦阻力存在，氣流速度逐漸下降，溫度逐漸升高，但射流擴散半徑逐漸增大，冷柜下部巖心冷卻效果明顯優(yōu)于上部。冷空氣到達冷柜底部后，局部阻力增大，湍流程度加強，部分氣流沿著地面向左側壁面運動，碰撞左側壁面后流動方向發(fā)生急劇偏轉，在慣性力和回風口負壓的綜合作用下，沿著左側壁面從底部向上運動，另外一部分氣流經(jīng)兩列巖心之間流道到達回風口，因縱向空氣流道之間存在較大的速度梯度，導致上下兩層巖心之間區(qū)域形成多個小旋渦，強化對流換熱。

綜合對比分析可得，在24 h冷卻時間內，送風溫度對巖心的冷卻效果影響較為顯著，冷柜內部溫度分布均勻性也存在一定差異，下半柜巖心的冷卻效果明顯優(yōu)于上半柜。當送風溫度為1 ℃和2 ℃時，冷柜內溫度值較高，送風溫度為2 ℃時熱羽流和浮升力作用效果更顯著，超過一半的巖心溫度在4 ℃以上，未能達到巖心儲藏條件；當送風溫度低于0 ℃時，冷柜內部整體溫度偏低，巖心雖被冷卻至目標溫度，但部分區(qū)域空氣溫度值已經(jīng)低于柜內設定溫度，隨著運行時間的增加巖心溫度值將低于最適宜的儲藏溫度；當送風溫度為0 ℃時，冷柜內空氣溫度除送風側均控制在2.5 ℃±1.5 ℃范圍之內，完全符合巖心最佳儲藏溫度條件，冷柜內所有巖心被冷卻至4 ℃以下，右列第六層巖心溫度最高為3.4 ℃，溫度分布較為合理，滿足實際設計要求。

圖8所示為送風溫度為0 ℃，送風速度分別為3.5、4.2、4.7 m/s，冷卻時間為24 h，冷柜z=0.25 m截面的溫度分布云圖。由圖8可知，隨著送風速度的增大，冷柜內換氣次數(shù)增加，強制對流換熱效果更顯著，柜內的氣流組織得到較好的改善，溫度場分布更均勻合理，送風速度為3.5 m/s時，右列6層巖心溫度較高，局部過熱現(xiàn)象較明顯，溫度分布均勻性較差；送風速度增至4.2 m/s和4.7 m/s時，冷柜內部溫度場分布得到顯著改善，各層間溫度梯度顯著減小，局部過熱問題得到有效解決，但送風速度過大導致射流距離增加，更多冷量被送至冷柜底部，以致柜內下半部分區(qū)域溫度值已經(jīng)低于適宜的儲藏溫度，送風速度增大的同時能耗也增加，綜合考慮能耗和氣流組織均勻性，4.2 m/s為最佳送風速度。

圖8 不同送風速度，冷柜滿載運行24 h，z=0.25 m截面溫度分布云圖

5 結論

本文結合某地質研究所自動化立體巖心冷柜建設項目，運用實驗研究和數(shù)值模擬相結合的方法，研究巖心冷柜滿載工況送風參數(shù)(送風溫度、送風速度)對冷柜內部溫度場的影響，得到最優(yōu)送風參數(shù)以控制巖心儲藏品質及冷柜整體能耗，研究工況下得到結論如下：

1)基于CFD數(shù)值模擬，取巖心冷柜零負載工況進行模型驗證，各監(jiān)測點溫度實測值與模擬值分布規(guī)律趨于一致，吻合程度較高，偏差基本控制在0.6 ℃以內，表明數(shù)值模擬結果能夠真實地反映冷柜內部溫度場分布。

2)送風參數(shù)(送風溫度、送風速度)對巖心冷柜內部溫度場分布和巖心儲藏品質影響較大。當巖心冷柜6層滿載，送風速度不變時，降低送風溫度，冷柜內部溫度也隨之降低，送風溫度為0 ℃時冷柜溫度場分布均勻合理，滿足巖心儲藏要求，為最佳送風溫度。

3)當巖心冷柜6層滿載，送風溫度維持恒定時，增大送風速度能夠優(yōu)化冷柜內部氣流組織，強化對流換熱，有效解決局部過熱問題，送風速度增大的同時，能耗也隨之增加，送風速度由4.2 m/s增至4.7 m/s時，冷柜底部區(qū)域溫度已低于最佳儲藏溫度，綜合考慮節(jié)能減排降耗及氣流組織均勻性，4.2 m/s為最佳送風速度。

4)綜合對比分析不同送風參數(shù)下巖心冷柜內部氣流組織分布規(guī)律，得到溫度場分布均勻合理時的最優(yōu)送風參數(shù)為送風溫度0 ℃，送風速度4.2 m/s，為巖心冷柜工程實踐提供理論支持。