基于CFD模擬差壓預冷庫內流場分布特征的研究

于永順， 楊永發(fā)

(西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224)

預冷是將收獲的水果和蔬菜迅速冷卻到適合運輸或儲存的溫度的過程。果蔬收獲以后，仍然保持著呼吸作用，即吸收氧氣，產生大量呼吸熱，消耗自身養(yǎng)分。結果造成果蔬凋萎、變色、軟化，以致發(fā)霉腐爛，失去商品價值[1]。采后迅速降低果蔬的溫度，可以有效地減弱果蔬的呼吸，延緩果蔬的新陳代謝過程，保持果蔬的品質，延長貨架期。

差壓預冷是通過機械加壓在預冷果蔬包裝箱兩側產生一定的差壓，增加冷空氣與預冷果蔬的接觸面積，迫使冷空氣完全通過果蔬表面，迅速帶走果蔬表面的熱量，并將預冷的水果和蔬菜迅速冷卻到一定的溫度值的一種空氣預冷新形式。相比于常規(guī)室內冷卻比較，差壓預冷冷卻速度快，冷卻時間短，且冷卻均勻耗能低[2]。差壓預冷要求果蔬包裝箱兩側必須打孔，包裝后按一定方式放在風道兩側[3]。目前，我國差壓預冷行業(yè)的發(fā)展還不成熟。水果和蔬菜的儲存大多以大規(guī)模冷藏的方式進行。冷鏈產業(yè)一直是世界各國研究的熱點，我國也越來越重視冷鏈產業(yè)的發(fā)展。

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，以下簡稱CFD)，是基于計算機技術的一種數值計算工具，用于求解流體的流動和換熱問題[4]。運用CFD技術，通過建立三維模型并借助可靠的數值計算就可以模擬出整個預冷庫內流場的流動情況，具有成本低、效率高的優(yōu)點[5]。田甜等建立了冷庫內氣流場的數學模型，通過CFD技術，比較了不同冷卻風機的布置情況對冷庫氣流組織的影響。結果表明，對于氣流移動距離較短的小型冷庫，冷卻風機布置在寬度方向氣流組織能夠均勻分布于冷庫內，死角區(qū)域較少[6]。

1 數學物理模型的建立

1.1 整機模型

差壓預冷裝置主要由制冷機組(壓縮機、空冷冷凝器、節(jié)流閥)、冷卻風機、卷簾裝置、差壓風箱、預冷庫、密封門等組成。整機結構如圖1所示。在冷卻風機底部與差壓風箱頂部密封安裝卷簾裝置，即遮風幕布可以移動到能覆蓋貨物區(qū)的上方，使得冷卻風機出風口的冷空氣從貨物區(qū)上部流動并從密封門所處位置回流到差壓風箱所在位置，冷空氣快速均勻地吹過包裝箱內果蔬的表面，帶走熱量，從而達到給果蔬預冷的作用。本試驗差壓預冷機外部隔熱層采用硬質聚氨酯泡沫塑料(導熱系數λ=0.031 W/m·k)，厚度為δ=0.1 m。冷卻設備為一臺冷卻風機，總風量為12 000 m3/h，功率為550 W，為懸吊式安裝在差壓風箱上部。相關技術參數見表1。

圖1 差壓預冷整機結構1.預冷庫；2.差壓風箱；3.卷簾裝置；4.制冷機組；5.冷卻風機；6.密封門

表1 技術參數

1.2 貨物處理

預冷庫內準備預冷的貨物為番茄，放置在包裝箱中，堆垛存放，包裝箱尺寸為56×36×16 cm，貨物堆成3垛，每垛11層，每層有3×8個包裝箱。根據這種存放方式，為方便研究和建模，可以將貨物整體看成三個水平布置的立方體(288×56×176 cm)，并作為整體熱源項處理，其熱流量為35 W/m3。

1.3 數值模擬

1.3.1 控制方程

差壓預冷庫采用冷卻風機與差壓風箱強制空氣循環(huán)，預冷庫流場區(qū)屬于大空間紊流流動換熱(雷諾數為106數量級)[7]。為取得預冷庫數值模擬的結果，首先要建立合適的描述預冷庫內流動換熱的數學模型，下列通用微分方程用來描述預冷庫內的氣體流場[8]。

式中：ρ為密度；t為時間；φ為通用變量；V為各方向速度；Γ為與φ相對應的廣義擴散系數；S為與φ相對應的廣義源項。

1.3.2 預冷庫內熱流量計算

預冷庫內熱流量主要來自貨物番茄自身呼吸熱和庫體圍護結構熱流量，按每立方米番茄重量為500 kg計算，呼吸熱總值為140 W；圍護結構熱流量主要來自庫內外溫差不同以及受太陽輻射的作用產生的耗冷量，具體數值可由下式計算[9]：

Q1=αKΑΔt=αKΑ(tw-tn)

式中：Q1為箱體圍護結構帶來的耗冷量，W；K為箱體圍護結構的傳熱系數；A為箱體圍護結構傳熱面積，m2；tw為箱外計算溫度，℃；tn為箱外計算溫度，℃；α為室內外的溫差修正系數。

由上式可計算得出Q1=350.72 W。

1.4 邊界條件

設計要求番茄需預冷到適宜貯藏的溫度2 ℃，其邊界條件進行如下設置：冷卻風機出風口為入口邊界，經風速儀及熱電偶多次測量取平均入口風速為7 m/s，溫度為270 K(-3 ℃)。在標準κ-ε湍流模型中，由于κ值很難用實驗測得，因此采用湍流強度來定義湍流，取為5%[10]；差壓風箱回風口為出口邊界，采用壓力出口條件設置其溫度為273 K(0 ℃)，表壓強為-5 Pa。

2 結果與分析

采用SOLIDWORKS軟件進行三維幾何建模并將幾何文件導入ANSYS Workbench 2021R1軟件中，進行Mesh網格劃分及FLUENT三維數值模擬分析，得到了差壓預冷庫內流場分布的仿真結果。通過選取三維預冷庫的典型截面，分析其流場分布，研究了差壓式預冷庫的預冷效果。物理模型的網格劃分示意圖如圖2所示。

圖2 物理模型網格劃分

2.1 流場分析

2.1.1 溫度場分析

空箱狀態(tài)下當冷卻風機出風口風速7 m/s時，距離底面1 m和距離冷卻風機2 m處的溫度分布如圖3所示。由圖3可知，庫體內部溫度場的分布情況整體較均勻，在庫體外圍區(qū)域，由于預冷庫與外界進行熱交換，因而溫度高于內部氣體溫度。實箱狀態(tài)下冷卻風機出風口風速7 m/s時，X-Y截面上庫體內部的溫度分布如圖4所示。由圖4可知，溫度場分布相對均勻，由于貨物區(qū)自身存在呼吸熱，使得貨物區(qū)溫度較高。冷卻風機和差壓風箱相互作用，強制冷風快速通過貨物區(qū)實現(xiàn)換熱的作用，因此流向差壓風箱內部的氣體溫度明顯高于其他區(qū)域溫度。

圖3 空箱狀態(tài)下溫度場分布

圖4 實箱狀態(tài)下溫度場分布

2.1.2 速度場分析

X-Y截面下庫體內部的速度分布如圖5所示，該分布圖可以反應庫體空間區(qū)域的氣流流動情況。由圖5可知，出風口處的速度最高，貨物區(qū)頂部的速度較高。由于庫體墻壁的屏障，氣流在墻壁上形成渦流區(qū)。貨物區(qū)由于貨物箱體的阻礙速度較低，差壓風箱由于靜壓作用強吸冷空氣，因此速度較高。合理設置出風口和回風口的差壓是設計差壓預冷裝置的關鍵。

圖5 預冷庫內部速度場分布

2.1.3 壓力場分析

X-Y截面下預冷庫內部的壓力分布如圖6所示，對比圖5可知，壓力場的分布與出風口和回風口的風速密切相關。出風口的風速較大，因此壓力也較大。差壓風箱起到吸引冷空氣回流的作用，因此此處壓力相對較小。當氣體與預冷庫前壁之間形成渦流區(qū)時，氣體的流動因對流沖擊而加劇，壓力反而升高。當氣流通過貨物區(qū)時，風速降低，壓力降低。

圖6 預冷庫內部壓力場分布

2.2 冷卻風機風速對溫度場的影響

三種不同的冷卻風機出風口風速下的溫度場分布圖如圖7所示，從左至右風速依次為4、7、10 m/s。由圖7很明顯看出，在不同的風速下，溫度場的分布變化很大。風速越高，貨物區(qū)的溫度越低。在4 m/s的風速下，貨物區(qū)的溫度平均在298 K(24 ℃)左右，此風速下預冷效果并不理想；在7 m/s的風速下，貨物區(qū)的溫度平均在276 K(2 ℃)左右，此風速下符合設計要求的預冷效果；在10 m/s的風速下，貨物區(qū)的溫度平均在268K(-5 ℃)左右，此風速下預冷效果較為明顯。

圖7 三種不同風速下的溫度場分布

2.3 貨物堆放形式對預冷庫溫度場的影響

對兩種不同的貨物堆放形式進行模擬，即2列和3列堆放形式。距送風口垂直截面下2 m處兩種不同堆放形式下的溫度場分布如圖8所示，從圖8可以清楚地看出，貨物的堆放形式對預冷庫貨物區(qū)的溫度場分布有很大影響。兩列堆放形式的貨物區(qū)域溫度明顯高于三列堆放形式的貨物區(qū)域溫度。通過分析得知，2垛堆放形式的貨物區(qū)溫度較高的原因是由于冷卻風機的中間風扇口的大部分冷風通過2垛貨物中間的較大間隙回流到差壓風箱中，使得在相同氣體流量下，2垛堆放形式的預冷效率不高，因此貨物區(qū)溫度明顯高于3垛堆放形式。另外，3垛堆放形式下的貨物區(qū)與庫體壁之間由于風道間隙較小，其溫度高于貨物區(qū)，可能造成此處放置的貨物預冷不徹底，改進時可以通過在3垛堆放形式的基礎上適當增大風道間隙或者調整包裝箱的尺寸。

圖8 兩種不同堆放形式下的溫度場分布

3 結論

(1)建立了差壓預冷裝置的數學物理模型，模擬分析了其庫內氣流溫度場、速度場和壓力場的分布情況，為后續(xù)差壓預冷設備的選型提供了參考依據。

(2)通過改變冷卻風機的不同出風口風速，模擬其溫度場的分布情況，結果表明差壓預冷機的預冷效果與冷卻風機出風口風速密切相關，風速越大，貨物區(qū)的溫度值越低，合理控制風速是適應不同貨物預冷到最佳溫度的關鍵。

(3)兩種不同的堆放形式下的溫度場分布情況表明應當根據冷卻風機的風扇數合理布置堆放形式，即風扇數對應碼垛數，使得預冷效率合理利用。另外，適當增加空氣流通間隙可以提高預冷的效率，堆放越密集，越不利于貨物區(qū)的散熱。