冷庫內(nèi)溫度場模擬和實驗測定研究

郭佳明 董敏 趙興龍

摘? 要：文章主要利用Airpak軟件對冷庫內(nèi)部的溫度場進(jìn)行模擬研究，并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得出開關(guān)門過程中冷庫溫度場的變化情況。通過改變冷風(fēng)機的送風(fēng)速度，可知隨著送風(fēng)速度的增加，冷庫內(nèi)的低溫區(qū)域逐漸擴大。通過對以不同形式安裝空氣幕以及將冷風(fēng)機布置在不同位置時的冷庫內(nèi)溫度場分布情況進(jìn)行模擬計算（即對不同工況下冷庫內(nèi)的溫度場進(jìn)行計算分析），可為冷庫的設(shè)計和室內(nèi)布置提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；溫度場；Airpak軟件

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0141-06

Abstract： This paper mainly uses Airpak software to simulate the temperature field inside the cold storage， and compares it with the experimental data， and obtains the change of the temperature field in the cold storage during the opening and closing process. By changing the air supply speed of the air cooler， it can be seen that with the increase of the air supply speed， the low temperature area in the cold storage gradually expands. By simulating the temperature field distribution in the cold storage when the air curtain is installed in different forms and the air cooler is arranged in different positions （that is， the temperature field in the cold storage under different working conditions is calculated and analyzed）， it can provide certain reference basis for the design and indoor layout of the cold storage.

Keywords： numerical simulation; temperature field; Airpak software

0? 引? 言

冷庫是冷藏鏈的開端，也是食品冷藏過程中最為重要的一環(huán)，其在保障食品品質(zhì)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近幾年，國內(nèi)的冷庫規(guī)模和數(shù)量都呈現(xiàn)出大幅增長的態(tài)勢，然而大部分冷庫的內(nèi)部仍然存在氣流分布不均勻的問題，這就會引起冷庫內(nèi)所儲存食品整體質(zhì)量的下降。尤其是在食品或工作人員進(jìn)出庫時冷庫門需要經(jīng)常性地開啟（冷庫內(nèi)外的空氣之間存在著很大的溫度差異），在這個過程中，庫門附近會發(fā)生熱量交換，外面的熱空氣會不斷地流入冷庫內(nèi)，這樣不僅會使冷庫內(nèi)的溫度升高，導(dǎo)致食品品質(zhì)下降，另外，在倉庫門口處還會有一層薄霧，干擾工作人員的視線，引發(fā)安全事故。嚴(yán)重時還會導(dǎo)致庫門和汽化器的排水管結(jié)冰、換熱變差、負(fù)載增大、設(shè)備受損等問題。因此，在冷庫的運行過程中，確保合理的溫度分配是非常關(guān)鍵的。

1? 冷庫溫度場的數(shù)值模擬和實驗測定研究

運用計算流體力學(xué)軟件和數(shù)值仿真方法[1]，對小型實驗冷庫內(nèi)的溫度場進(jìn)行了仿真，以期獲得冷庫內(nèi)溫度場的分布情況。

1.1? 模型建立

本節(jié)主要講述冷庫溫度場模擬過程中需要建立的兩個模型，即物理模型和數(shù)學(xué)模型。

1.1.1? 物理模型

實驗冷庫釆用山東華宇工學(xué)院能源與建筑工程學(xué)院實驗室冷庫，冷庫尺寸是長×寬×高=3 m×3 m×2 m，厚度為0.15 m，材料為鋼材，保溫層采用型號為MGM-32H20D的聚氨酯泡沫材料，冷庫門尺寸是寬×高=0.8 m×1.6 m。冷庫實體圖如圖1所示。

冷庫風(fēng)機風(fēng)量是2×900 m3/h，冷風(fēng)機共有兩個出口，口徑是0.4 m。如圖2所示為冷風(fēng)機實體圖。

1.1.2? 數(shù)學(xué)模型

首先，建立可正確描述庫中流動傳熱的數(shù)學(xué)模型，為了便于建模，假定以下條件：

1）冷庫內(nèi)氣體是不可壓縮的，在冷庫中，氣流組織充分流動的情況可以看作是紊流。

2）冷庫外部環(huán)境應(yīng)維持恒溫。

3）冷庫中的管線和金屬支架對室內(nèi)溫度的影響可以忽略不計。

4）冷卻風(fēng)扇自身內(nèi)部流場的改變沒有考慮在內(nèi)。

5）冷庫內(nèi)部的圍護結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境沒有質(zhì)的交流。

本冷庫采用的冷風(fēng)系統(tǒng)為強迫對流制冷，雷諾數(shù)約為106，根據(jù)上述條件，建立一個標(biāo)準(zhǔn)湍流模型即k-ε模型，對該冷庫模型進(jìn)行模擬計算。在坐標(biāo)系下，聯(lián)立連續(xù)性方程、能量守恒方程、動量守恒方程，k方程及ε方程作為計算方程組[2]，四個控制方程組如式（1）至式（4）所示：

1.2? 邊界條件及參數(shù)設(shè)定

當(dāng)有貨物進(jìn)出冷庫時，冷庫門打開，由于空氣壓力的作用，在門周圍會發(fā)生劇烈的熱量交換，從而導(dǎo)致冷庫內(nèi)流場分布的改變，對冷凍食品的品質(zhì)造成一定的影響。在此基礎(chǔ)上，我們分別對10 s、20 s、30 s的開關(guān)門和閉合過程中的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。

蒸發(fā)器為恒溫壁面，溫度為-22 ℃；在冷庫壁面上，應(yīng)用第二類邊界條件，壁表面的總熱阻為5.9，室內(nèi)與室外的設(shè)計溫度為-20 ℃和20 ℃，計算出墻體的熱流量密度q=7.69 W/m2；打開門時，靠近門的液體是自然對流的，這時可以采用速度進(jìn)口，即V=0.2 m/s，t=20 ℃；關(guān)閉門的時候，把冷庫門當(dāng)作壁面。

該模型的邊界條件包括風(fēng)機出口、風(fēng)機回風(fēng)口和冷庫的壁面邊界條件。在標(biāo)準(zhǔn)湍流k-ε模型中，由于數(shù)值k很難通過實驗測得，也很難通過計算得到，所以我們用湍流的強度來定義它，把它的湍流強度設(shè)定為0.05左右。冷風(fēng)機的風(fēng)口速度為速度的出口條件，分別取2 m/s、3 m/s、4 m/s回風(fēng)口速度作為壓力的邊界。冷庫和冷風(fēng)機壁面都采用第一類邊界條件[3]。

1.3? 模擬計算

在Airpak軟件中按照上述邊界條件進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)置，使冷庫在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，該狀態(tài)下的氣體流動是不可壓縮的穩(wěn)定湍流，采用壓力校正法來計算壓力、速度。在計算時，將冷庫庫門視為壁面，對冷庫的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析，將其用作非穩(wěn)態(tài)工況下的初值。

1.4? 實驗測定

本文對冷庫開關(guān)門過程中以及不同風(fēng)速下的溫度值進(jìn)行了定量測量，通過對數(shù)據(jù)的分析討論，得出初步結(jié)論。實驗是在一個長×寬×高=3 m×3 m×2 m的小型實驗冷庫中進(jìn)行的，開門過程中，選取同高度的三個測點：門口、中部和墻角處，利用溫度測試儀對溫度進(jìn)行定量讀數(shù)，得出開門10 s、20 s、30 s時三個測點的溫度；關(guān)門過程中，選取同一位置的三個測點：底部、中部、頂部，并運用數(shù)字溫度測試儀進(jìn)行溫度的測試，得出三個測點的溫度（即不同風(fēng)速2 m/s、3 m/s、4 m/s時三個測點的溫度），并繪制出溫度分布表。

2? 小型冷庫氣流組織模擬結(jié)果分析

2.1? 開關(guān)門過程對庫內(nèi)溫度場影響分析

采用數(shù)值仿真方法得出穩(wěn)定狀態(tài)下的結(jié)果，如圖3所示為三維溫度分布圖及截面圖。圖中顯示，冷庫內(nèi)部的溫度分布基本均衡，滿足了冷藏庫的要求，但是在冷庫的一角溫度較高。

為便于對非穩(wěn)態(tài)過程中的溫度場進(jìn)行分析，選取了Z=0.8 m和Z=1.25 m兩個斷面。如圖4所示為開門10 s、20 s、30 s時的三維溫度場。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)大門開啟10 s后，在冷庫庫門處發(fā)生了強烈的熱交換，冷庫外的熱空氣逐漸進(jìn)入冷庫內(nèi)；當(dāng)大門開啟20 s后，外界空氣對庫房的影響變大，庫門周圍的空氣溫度急劇上升，并向倉庫中蔓延。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，冷空氣的密度高，開門會導(dǎo)致外界的熱風(fēng)從門的位置進(jìn)入；在大門開啟30 s后，冷庫內(nèi)的溫度又上升了一大截，大部分空氣都受到一定的影響，但是，整個頂部的溫度比底部還是稍高一些。

如圖5所示為冷藏庫門關(guān)閉10 s、20 s、30 s時的三維溫度場。由溫度場分布圖可知，在庫門關(guān)閉10 s后，冷庫內(nèi)的溫度場沒有發(fā)生明顯的變化；在庫門關(guān)閉20 s后，因密度的影響，庫房內(nèi)部的熱空氣向上流動，使庫底溫度逐漸下降，庫頂溫度下降緩慢；在庫門關(guān)閉30 s后，庫房底部的大氣溫度將會大幅下低[4]。

2.2? 風(fēng)機風(fēng)速不同時對空庫溫度場的影響

由圖6可知，當(dāng)風(fēng)機出口風(fēng)速增大時，其溫度范圍也會發(fā)生相應(yīng)的改變，變化趨勢與曲線基本一致。從冷庫頂部可以看到，在接近冷庫頂部時，冷風(fēng)區(qū)的溫度隨風(fēng)速的增加而增加。當(dāng)風(fēng)機出口速度增大時，低溫區(qū)所占據(jù)的面積就會增大。在冷庫角落仍存在盲區(qū)，該盲區(qū)會隨著冷風(fēng)風(fēng)速的增大而逐漸縮小。大多數(shù)冷庫區(qū)域的溫度分布較為均勻，相應(yīng)的溫度范圍隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的升高而增大。直接吹冷氣的地方，氣溫稍微升高，這個范圍會隨著風(fēng)速的增大而變小。整體的溫升曲線是一致的[5，6]。

對三種速度下的溫度場數(shù)值大小進(jìn)行了比較，確定了將3 m/s的流速作為冷風(fēng)機出口的風(fēng)速，為后續(xù)的冷風(fēng)機布置提供了速度方面的參考。

3? 空氣幕不同安裝形式對空庫內(nèi)氣流組織的影響

3.1? 上送式空氣幕庫內(nèi)安裝

如圖7所示為空氣幕采用上送式庫內(nèi)安裝在不同時間內(nèi)的溫度分布。由圖7可知，溫度場的變化范圍隨時間的延長而增大，但溫度的變化幅度較小。與室內(nèi)氣溫比較，室外氣溫變化較大，大量冷空氣的流入導(dǎo)致室外氣溫下降[7]。

3.2? 側(cè)送式空氣幕單側(cè)安裝

在空氣幕采用單側(cè)送風(fēng)時，風(fēng)幕的溫度分布曲線如圖8所示。結(jié)果表明：在風(fēng)幕運行1～3 min期間，庫房右下部的溫度場發(fā)生了明顯的變化，并且在垂直方向上持續(xù)發(fā)生著變化；在風(fēng)幕運行2 min后，庫房的溫度變化就會從墻角向左側(cè)持續(xù)地運動。

4? 冷風(fēng)機不同布置位置對空庫內(nèi)氣流組織的影響

為更好地了解在適當(dāng)?shù)耐L(fēng)速度下，冷風(fēng)機不同設(shè)置對冷庫內(nèi)空氣流動的影響[7]，本節(jié)對三種不同安裝形式進(jìn)行了研究。

4.1? 冷風(fēng)機在長度方向的布置

從圖9溫度效果圖中可以看出，大多數(shù)地區(qū)的氣溫在-17.7～-17.5 ℃，而在庫房墻壁附近則有顯著的變化。從整體上來看，在直吹風(fēng)平面上，空氣在冷庫中的分布是比較均勻的。

4.2? 冷風(fēng)機在寬度方向的布置

如圖10所示為溫度效果圖，從中可以清晰地看出，大多數(shù)冷庫的氣溫在-17.7～-17.5 ℃之間，可以很好地滿足倉庫內(nèi)部的溫度要求，而在冷庫的各個墻壁附近，溫度存在很大的差異[8]。

4.3? 冷風(fēng)機在中間方向的布置

從圖11溫度效果圖中可以清晰地看出，回流區(qū)的溫度在-17.5～-17.3 ℃之間，而在高度為0.50～1.35 m的區(qū)域，由于冷風(fēng)機射流區(qū)的作用，導(dǎo)致溫差較大，不宜進(jìn)行冷凍冷藏。

5? 實驗測定結(jié)果分析

5.1? 開關(guān)門過程中溫度的變化

采用測溫儀測量出開門過程中三個測點的溫度變化并進(jìn)行記錄，如表1所示。

通過測量結(jié)果可以看出，隨著時間的推移，無論是哪個測點，冷庫溫度都是逐漸升高的，尤其是在門口的測點處溫度變化是最為明顯的。

采用測溫儀測量出關(guān)門過程中三個測點的溫度變化并進(jìn)行記錄，如表2所示。

通過測量結(jié)果可以看出，隨著時間的推移，冷庫內(nèi)各測點的溫度是越來越低的，逐漸達(dá)到食品冷藏所要求的溫度。

5.2? 采取不同風(fēng)速時溫度的變化

使用測溫儀測量出不同風(fēng)速時三個測點的溫度變化并進(jìn)行記錄，如表3所示。

由表2可以得出結(jié)論，風(fēng)速為2 m/s時，由于風(fēng)速過小，冷風(fēng)機吹出的風(fēng)不能及時到達(dá)角落處，導(dǎo)致角落處的溫度變化較?。伙L(fēng)速為3 m/s時，冷庫內(nèi)的溫度分布比較均勻，由風(fēng)機出口到冷庫內(nèi)部溫度越來越低；風(fēng)速為4 m/s時，由于風(fēng)速過大，造成氣體回流，冷風(fēng)機吹出的風(fēng)到達(dá)對面壁面后又折返回來，導(dǎo)致冷庫中間位置的溫度變化較為明顯，但不適合于儲藏貨物。經(jīng)過綜合分析得出，在冷風(fēng)機速度為3 m/s時，冷庫內(nèi)各點的溫度變化比較均勻，說明其效果很好，為最佳出風(fēng)速度。因此，選用其作為冷風(fēng)機的出口速度。

6? 結(jié)? 論

通過對三種不同出口風(fēng)速下的冷庫進(jìn)行模擬，分析了風(fēng)速不同時對空庫溫度場的影響。從模擬結(jié)果可以看出，隨著送風(fēng)速度的增大，低溫范圍所占據(jù)的面積也逐漸增大，總體庫內(nèi)溫度場呈現(xiàn)出均勻變化的趨勢，冷風(fēng)機吹出的風(fēng)到達(dá)風(fēng)機對面的墻壁之后，在冷庫中偏下的位置會有回流現(xiàn)象產(chǎn)生。通過對冷庫內(nèi)部的溫度場進(jìn)行分析，選取冷庫出口的最佳風(fēng)速為3 m/s。

通過對空氣幕不同安裝形式的研究分析，得出如下結(jié)論：采用上送式空氣幕的封閉效果是最好的，但其耗能比較大；而在庫門一側(cè)設(shè)置側(cè)送空氣幕時，庫房靠墻一側(cè)的局部溫度發(fā)生很小的變化，對貨物放置區(qū)影響不大。然而，這種安裝方式會對實際的冷庫開關(guān)造成一定的影響。

對將冷風(fēng)機布置在不同位置時的流場分布情況做了模擬分析。根據(jù)模擬結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）冷風(fēng)機設(shè)置在長度方向上時，由于縱向距離較小，冷庫內(nèi)的空氣組織分布比較均勻，盲區(qū)也相對較少，冷庫內(nèi)大部分區(qū)域的溫度范圍在-17.7～-17.5 ℃之間。

2）冷風(fēng)機設(shè)置在寬度方向上時，其主要受出口風(fēng)速的影響，當(dāng)出口風(fēng)速較低時，吹出的風(fēng)無法到達(dá)冷庫的各個角落，使氣流組織無法在冷庫中均勻分布，而當(dāng)風(fēng)速增大時，氣流組織可以均勻地在冷庫中分布，冷庫內(nèi)大部分區(qū)域的溫度范圍在-17.7～-17.5 ℃之間。

3）冷風(fēng)機布置在中間位置時，氣流組織會在中間位置形成速度疊加，出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象，這一地區(qū)的流速變化比較大，不適合冷藏食物，冷庫內(nèi)大部分區(qū)域的溫度范圍在-17.5～-17.3 ℃之間。

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知，實驗結(jié)果與模擬得出的結(jié)論大致吻合，從而驗證了模擬的有效性。

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作者簡介：郭佳明（1995.04—），男，漢族，黑龍江青岡人，助教，碩士研究生，研究方向：制冷與能源資源利用。