進(jìn)風(fēng)口高度對食品立庫氣流和溫度的影響

金 煒 ，唐 霞 ，金光遠(yuǎn) ，崔政偉

（1.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫 214122；2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；3.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214122）

0 引言

近年來物流倉儲行業(yè)不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)建設(shè)高大空間自動化立庫來滿足不斷上升的物流配送需求。大型自動化立庫具有廠房跨度大、貨架高且密集、耗能大等特點［1］，自動化堆垛機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行過程中不可避免地產(chǎn)生熱量和有害氣體，在炎熱的夏季導(dǎo)致貨架頂部氣體溫度過高從而影響食品安全。因此，在廠房建造之初，按照GB/T 51129—2015《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計合理的通風(fēng)系統(tǒng)，有效地降低立庫頂部溫度，對保障食品安全和設(shè)備正常運(yùn)作，降低能耗有著重要的意義。

對于高大空間通風(fēng)系統(tǒng)的氣流組織設(shè)計，目前尚無成熟的理論和實驗結(jié)論［2］，主要研究手段為氣流分析和數(shù)值模擬即計算流體力學(xué)（CFD）。CFD模擬技術(shù)可以全面地反映室內(nèi)的氣流、溫度等分布情況［3］，對比確定最優(yōu)氣流組織，極大地縮短設(shè)計周期。LEUNG［4］探討了自然通風(fēng)下通風(fēng)口位置對通風(fēng)效果的影響。MERLIJN等分析了送風(fēng)高度以及速度等對高大空間氣流組織的具體影響［5］。高婷［6］通過改變進(jìn)排風(fēng)口的面積，結(jié)合CFD技術(shù)對大型鋼鐵工廠的通風(fēng)方案進(jìn)行改進(jìn)。趙福云等［7］采用CFD方法研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)廠房機(jī)械送風(fēng)口位置對通風(fēng)效果有很大影響。針對高大廠房的氣流組織設(shè)計分析雖已有許多的研究進(jìn)展和案例［8］，但由于不同廠房空間大小不同，廠房內(nèi)設(shè)備布置擺放等多種因素不同，使得許多學(xué)者研究的成果不能普遍適用于其他高大空間廠房。且研究多以機(jī)械送風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)為主，機(jī)械排風(fēng)方面的氣流組織研究比較少。

本文以某公司新建自動化立體倉庫為例，采用頂部機(jī)械排風(fēng)。由于食品倉儲的特殊性，需保證貨架上的食品處在合適的溫濕度條件下［9］，具體的溫濕度取決于食品的類別及相應(yīng)的包裝儲存方式。本文中儲存食品為真空包裝棕子，存儲溫度要求為38 ℃以下，采用CFD數(shù)值模擬的方法對該大型食品自動化倉庫進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，模擬在夏季高溫條件下不同進(jìn)風(fēng)口高度對庫內(nèi)速度場和溫度場的影響，對比分析模擬結(jié)果，探究立庫通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(shè)計方案。

1 模型建立

1.1 物理模型

立庫長為94.32 m，寬為62.75 m，側(cè)面高度為27.30 m，屋頂最大高度為29.275 m。立庫內(nèi)部有2種貨架：一種為單深位貨架；另一種為雙深位貨架，根據(jù)實際形狀分別簡化為63.70×1.10×18.15 m和63.70×2.20×18.15 m的長方體，按照規(guī)劃的位置擺放在立庫內(nèi)。貨架之間布置堆垛機(jī)，堆垛機(jī)簡化成63.70×0.40×20 m的長方體。前后設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，尺寸為20.70×1.20 m，屋頂排風(fēng)口的尺寸為1.00×1.00 m。物理模型如圖1所示。結(jié)合資料和物流模型，設(shè)定氣流組織為兩側(cè)送上方回，其他的模擬參數(shù)如表1所示。

圖1 食品自動化立庫物理模型Fig.1 Physical model of food automatic storehouse

表1 模擬方案表Tab.1 Simulation scheme table

1.2 數(shù)學(xué)模型

在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型前，作如下假設(shè)：（1）立庫內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動；（2）立庫內(nèi)空氣為牛頓不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設(shè)［10］，即流體密度的變化僅對浮升力產(chǎn)生影響；（3）立庫內(nèi)部門、窗、墻壁閉合時氣密性良好；（4）不考慮太陽輻射以及房間內(nèi)部各表面的輻射換熱影響，墻壁設(shè)置為定溫表面；（5）固體壁面上滿足無滑移條件，不考慮其影響。

對于湍流方程的選擇，已經(jīng)在大多數(shù)大型工業(yè)廠房的氣流組織模擬中有廣泛的應(yīng)用［11］，但k-ε模型對于近壁面以及渦流缺乏精度，所以結(jié)合前人經(jīng)驗以及實際情況，本次模擬選擇由Menter提出的SST k-ω雙方程模型，該模型兼具k-ε模型的優(yōu)點，且在近壁自由流中有更高的精度，并與連續(xù)性方程、動量方程、能量方程一起構(gòu)成倉庫內(nèi)空氣流動與換熱的基本控制方程。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

選取立庫作為計算域，應(yīng)用Solidworks進(jìn)行1：1的建模。在Workbench Meshing中采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格相結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對進(jìn)口和出口處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理?？偣矂澐至?5 376 999個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格平均最大偏度為0.829 49，小于使用要求的0.90，網(wǎng)格質(zhì)量良好，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

2.2 邊界條件

設(shè)置屋頂與墻面為定溫壁面，排風(fēng)口為質(zhì)量流量出口邊界，進(jìn)風(fēng)口為壓力入口邊界，具體邊界條件參數(shù)如表2。壓力速度耦合采用Couple算法，能量方程采用二階迎風(fēng)格式，其余采用一階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)：能量方程的殘差<10-6，其余方程的殘差<10-3。

表2 邊界條件匯總Tab.2 Summary of boundary conditions

3 模擬計算及結(jié)果分析

3.1 速度場分析

3.1.1 Z=1.10 m平面的速度場分布情況

考慮到立庫中人員作業(yè)高度的風(fēng)速情況，取Z=1.10 m平面作為速度場分析界面，速度場分布情況見圖2，特定平面上沿X方向平均速度變化見圖3。

圖2 Z=1.10 m平面速度場分布情況Fig.2 Distribution of velocity field in plane Z=1.10 m

圖3 特定平面上沿X方向平均速度變化情況Fig.3 The change of the average velocity in the X direction in a particular plane

由圖2和圖3（a）看出，方案一中立庫兩側(cè)人員作業(yè)區(qū)域的風(fēng)速處于0.10～0.24 m/s，滿足人員舒適性要求，氣流在進(jìn)入貨架與堆垛機(jī)狹長的通道后流速明顯增大，為0.16～0.30 m/s，這是由于流道變窄，壓力減小，動量增大。方案二中立庫兩側(cè)人員作業(yè)區(qū)域的風(fēng)速范圍在0.20～0.28 m/s，風(fēng)速相較于方案一變大，但符合人員的作業(yè)要求，隨著進(jìn)入貨架夾道的風(fēng)速增大，夾道口處氣流速度急劇上升，達(dá)到0.50 m/s，夾道中風(fēng)速處于0.22～0.38 m/s。方案三中立庫兩側(cè)人員作業(yè)區(qū)域的風(fēng)速分布為0.30～0.38 m/s，兩側(cè)的風(fēng)速較前2種方案增大，作業(yè)人員開始有吹風(fēng)感，貨架夾道處風(fēng)速繼續(xù)增大，處于0.26～0.46 m/s。方案四中立庫兩側(cè)人員作業(yè)區(qū)域風(fēng)速繼續(xù)上升，處于0.38～0.50 m/s，部分區(qū)域風(fēng)速高達(dá)0.56 m/s，夾道中最高風(fēng)速達(dá)0.64 m/s，速度普遍處于0.30～0.52 m/s。已不符合作業(yè)人員區(qū)域風(fēng)速低于0.3 m/s的國家標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)人員感到不適。在高度為1.1 m平面，對比4種方案可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)口高度的上升，在水平面方向上沿X方向的平均速度也隨之增大，到達(dá)方案三高度及以上，兩側(cè)風(fēng)速會超過作業(yè)人員的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)風(fēng)速。

3.1.2 Z=18.15 m平面的速度場分布情況

考慮貨架的最大高度，取Z=18.15 m高度處作為速度場分析界面，也利于分析貨架頂部的空氣流動情況。

由圖4和圖3（b）看出，方案一倉庫上方貨架左右兩側(cè)的風(fēng)速極低，處于0～0.06 m/s，貨架上方的速度處于0～0.12 m/s，貨架中間位置小部分區(qū)域氣流運(yùn)動不明顯。方案二立庫上方左右兩側(cè)氣流速度比起方案一有所增大，為0.08～0.12 m/s，貨架上方空氣流動良好，速度為0.14～0.20 m/s。方案三立庫上方兩側(cè)的風(fēng)速較方案一、二更大，出現(xiàn)局部高速區(qū)域，風(fēng)速差較大，最高風(fēng)速達(dá)到0.58 m/s，風(fēng)速范圍為0.12～0.44 m/s，貨架區(qū)域上方風(fēng)速增大為0.16～0.26 m/s。方案四貨架上方兩側(cè)的風(fēng)速對比方案三減小，依舊存在明顯速度差，總體速度為0.10～0.42 m/s，貨架區(qū)域上方風(fēng)速較方案三也減小為0.14～0.22 m/s。

圖4 Z=18.15 m平面速度場分布情況Fig.4 Distribution of velocity field in plane Z=18.15 m

在高度為18.15 m平面發(fā)現(xiàn)，方案二以上高度都能在貨架頂部平面有較好氣流分布，方案一氣流分布情況最差。對比方案一、二、三可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)口高度的上升，在水平面方向上沿X方向的平均速度隨之增大。但對比方案四發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)風(fēng)口的高度繼續(xù)上升，沿X方向的平均速度不再增加，甚至還有所下降，造成此現(xiàn)象的原因需要對側(cè)平面云圖進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.1.3 Y=39.20 m平面的速度矢量分布情況

為探究進(jìn)風(fēng)口高度對立庫高度方向上速度分布以及大小的影響，并分析出現(xiàn)上文結(jié)果的原因，對Y=39.20平面的速度矢量分步進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 Y=39.20 m平面Z方向速度矢量分布情況Fig.5 Velocity vector distribution in Z direction in plane Y=39.20 m

方案一在高度方向上速度矢量分布不同，在5.71 m以下區(qū)域分布密集，在高度5.71～9.67 m區(qū)域變得稀疏，而在9.67～16.75 m高度區(qū)域又變得密集。這是由于兩側(cè)的氣流在中部區(qū)域聚集形成渦流，強(qiáng)迫氣流上升，使得上部區(qū)域速度矢量分布密集，速度較大，而中間部分處于渦流的中心，所以速度矢量分布稀疏，速度較小。方案一主要速度矢量分布高度為16.75 m，不能完整覆蓋18.15 m高度的貨架。方案二下部速度矢量密集區(qū)域高度增加為8.14 m，中間速度矢量稀疏區(qū)域范圍為4.06 m，比方案一大，上部速度矢量密集區(qū)域范圍為7.77 m，高度增大為19.97 m，能完整覆蓋貨架區(qū)域。方案三下部速度矢量密集區(qū)域高度比方案一和方案二都大，為8.34 m，中間速度矢量稀疏區(qū)域范圍為4.60 m，上部速度矢量密集區(qū)域范圍為8.23 m，范圍都比前2種方案增大，高度增大為21.18 m，能完整覆蓋貨架區(qū)域。方案四各區(qū)域范圍比起前3種方案繼續(xù)增大，且都為4種方案中最大。

綜上所述，進(jìn)風(fēng)口位置越高，速度矢量在高度上的分布范圍就越廣，但同樣中間矢量稀疏區(qū)域的范圍也就越大。本文重點研究貨架區(qū)域的速度矢量分布情況，所以越高范圍的速度分布并不意味著貨架區(qū)域速度矢量的分布情況越好。

Y=39.20 m平面的平均速度變化情況，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)速度矢量的分布情況與Z方向上速度大小的變化趨勢相符，在高度9.125 m以下和18.875 m以上區(qū)域，進(jìn)風(fēng)口速度越高，該區(qū)域速度矢量分布越好，速度越大；而在9.125～18.875 m的中部區(qū)域，中高進(jìn)風(fēng)口高度可以使該區(qū)域獲得更好的速度矢量分布和更大的速度，這也解釋了上文中在18.15 m高度平面上，面平均速度不再隨著進(jìn)風(fēng)口高度的上升而增大的現(xiàn)象。

圖6 Y=39.20 m平面上沿Z方向平均速度變化情況Fig.6 The change of the average velocity along the Z direction in the plane Y=39.20 m

3.1.4 速度場均勻性分析情況

使用定量分析的方法來分析不同進(jìn)風(fēng)口高度對氣流分布均勻性的影響［12］。采用平均值、均方根偏差和非均勻性系數(shù)，定義如下：

平均值：

均方根偏差：

不均勻性系數(shù)：

在各平面上的平均速度和非均勻系數(shù)見表3。在高度為1.1 m平面上，隨著進(jìn)風(fēng)口高度上升，面平均速度增大，使得不均勻系數(shù)降低，速度均勻性變好。在高度為18.15 m平面上，不均勻系數(shù)隨著進(jìn)風(fēng)口高度的上升，先減小后增大；方案二的不均勻系數(shù)為所有方案中最小。分析后發(fā)現(xiàn)，雖然方案三、四的面平均速度更高，但兩側(cè)區(qū)域存在較大的速度差，使得均方根偏差偏大；方案二的速度差較小，使得不均勻系數(shù)最小，速度均勻性最好。在Z方向上，速度不均勻系數(shù)隨著進(jìn)風(fēng)口高度的上升，先減小后增大；方案二的速度均勻性最好。

表3 在各平面上的平均速度和非均勻系數(shù)Tab.3 Average velocities and inhomogeneity coefficient on each plane

綜合上述，在立庫空間內(nèi)，進(jìn)風(fēng)口高度越靠近中間高度位置，速度均勻性越好。

3.2 溫度場分析

3.2.1 X=0.00 m平面的溫度場分布情況

考慮切面位于廠房中央，為兩側(cè)冷氣流最不易到達(dá)區(qū)域，取X=0.00 m平面作為分析切面，探究不同方案在此切面的溫度分布情況，如圖7所示。并使用Matlab計算出各個溫度區(qū)域的面積繪制表格如表4。

圖7 X=0.00 m平面溫度場分布情況Fig.7 Temperature field distribution in plane X=00.00 m

表4 X=0.00 m平面不同溫度區(qū)域面積Tab.4 Area of different temperature zone in plane X=0.00 m

方案一、二、三符合溫度設(shè)計要求。方案四小于38 ℃區(qū)域面積為4種方案中最小，貨架上方部分區(qū)域已不符合溫度設(shè)計要求。

3.2.2 Y=39.20 m平面的溫度場分布情況

為能直觀地反映出立庫整體的溫度分布情況，取Y=39.20 m平面作為分析切面。平面溫度場分布情況，如圖8所示。并使用Matlab計算出各個溫度區(qū)域的面積繪制表格如表5。

圖8 Y=39.20 m平面溫度場分布情況Fig.8 Temperature field distribution in plane Y=39.20 m

表5 Y=39.20 m平面不同溫度區(qū)域面積Tab.5 Area of different temperature zones in plane Y=39.20 m

方案一、二、三符合溫度設(shè)計要求。方案四溫度為38 ℃以下區(qū)域面積為4種方案中最小，38～40 ℃溫度區(qū)域面積達(dá)到最大的788.98 m2，不能滿足溫度設(shè)計要求。

綜上所述，進(jìn)風(fēng)口高度越低，溫度場低溫區(qū)域面積越大，溫度分層越明顯。這是由于立庫兩側(cè)進(jìn)入的冷空氣密度較大，受重力的作用下沉至底部，在堆垛機(jī)與貨架夾道中，冷空氣經(jīng)加熱后受浮升力的作用形成上升的熱氣流，出現(xiàn)溫度分層。進(jìn)風(fēng)口高度越高，進(jìn)來的冷空氣會更多地與上部高溫氣體混合，導(dǎo)致整體的空氣溫度相對較高；進(jìn)風(fēng)口高度越低，進(jìn)來的冷空氣與高處的熱空氣混合較少，使得在進(jìn)風(fēng)口以下的區(qū)域可以獲得更好的冷卻效果。

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，對食品大型立庫不同高度進(jìn)風(fēng)口的氣流組織和溫度分布進(jìn)行綜合比較。結(jié)果表明：

（1） 在立庫下部和上部區(qū)域，進(jìn)風(fēng)口高度越高，能使上下區(qū)域具有更大的氣流速度和更好的速度矢量分布。但對于立庫中間高度區(qū)域，較高的進(jìn)風(fēng)口高度不能使得該區(qū)域的速度分布更好，中等進(jìn)風(fēng)高度能給中間區(qū)域帶來更好的氣流速度和氣流分布。

（2）對于速度分布的均勻性，綜合各個平面，進(jìn)風(fēng)口高度越靠近中間位置，速度的均勻性越好。

（3）立庫空間內(nèi)上、下區(qū)域的溫差隨進(jìn)風(fēng)口高度的下降而增大，進(jìn)風(fēng)口高度越低，越有效利用溫度分層，使得下部區(qū)域保持較低的溫度，并維持立庫頂部溫度在38 ℃以下。

對于高大空間的自動化立庫采用12臺900型負(fù)壓風(fēng)機(jī)排風(fēng)（風(fēng)量為27 000 m3/h），對比4種方案發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)口高度為14.70 m時，不但能滿足人員作業(yè)要求的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，在不同平面上都有較好的速度分布均勻性，而且溫度分布也能滿足立庫設(shè)計要求。