基于CFD 的沙棘速凍庫(kù)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

Rahimov Asif，胡靖明，楊 梅，張強(qiáng)林，向金田，張文潔

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州市 730070）

0 引言

沙棘（Hippophae rhamnoides L.）又叫醋柳、酸刺、黑刺，胡頹子科[1]。我國(guó)沙棘林面積約214萬hm2，約占世界總面積的90%，中國(guó)沙棘果每年實(shí)際采收6～8萬t[2]。因沙棘漿果皮薄、果梗短，直接采收困難，加工企業(yè)一般將枝條果裝框放入-30℃以下速凍庫(kù)速凍。速凍后沙棘品質(zhì)基本無變化，因此可采用速凍枝果的方式獲得純凍果[3-4]?，F(xiàn)有冷庫(kù)在制冷過程中內(nèi)部氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布不均，制冷效果差。速凍庫(kù)在運(yùn)行中氣流場(chǎng)會(huì)直接影響速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，傳統(tǒng)測(cè)定方法很難獲得整個(gè)速凍庫(kù)的流場(chǎng)分布情況，而采用CFD仿真可快速、直觀模擬出冷庫(kù)內(nèi)部不同時(shí)間氣流分布并實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使冷庫(kù)內(nèi)回流最小化、氣流均勻化、送風(fēng)合理化[5-6]。

流場(chǎng)的渦流區(qū)與冷庫(kù)的尺寸結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)的進(jìn)口風(fēng)速和出口風(fēng)速等有密切聯(lián)系。在速凍庫(kù)設(shè)計(jì)中，渦流區(qū)域速凍效果差，應(yīng)盡量避免回流渦流區(qū)域的出現(xiàn)[7]。在冷庫(kù)建設(shè)過程中應(yīng)設(shè)法改變渦流區(qū)出現(xiàn)的位置，使其盡量移至冷庫(kù)頂部或墻角等遠(yuǎn)離貨物儲(chǔ)存區(qū)域的地方[8]。

本文對(duì)試驗(yàn)冷庫(kù)（10m×5m×5m）進(jìn)行了CFD仿真研究，運(yùn)用CFD 模擬仿真果蔬擺放形式對(duì)庫(kù)中氣流的影響，模擬中為了使空氣密度更接近實(shí)際工況，假設(shè)氣流不可壓縮并且符合Boussinep假設(shè)[9]，運(yùn)用了交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)和SIMPLE算法對(duì)壓力進(jìn)行解耦來防止庫(kù)內(nèi)出現(xiàn)不合理的流速場(chǎng)[10]，并為速凍庫(kù)設(shè)計(jì)導(dǎo)流板以改變速凍庫(kù)內(nèi)部溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。本研究結(jié)果將為沙棘速凍冷庫(kù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 解決方案

1.1 冷庫(kù)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的速凍庫(kù)外墻體由10m×5m×5m（長(zhǎng)×寬×高）的隔熱墻壁構(gòu)成，內(nèi)部由3 個(gè)2.7m×0.8m×0.8m（長(zhǎng)×寬×高）的大型風(fēng)機(jī)和3個(gè)0.9m×0.8m×0.5m（長(zhǎng)×寬×高）的小風(fēng)機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。速凍庫(kù)工作時(shí)速凍庫(kù)內(nèi)部氣流處于循環(huán)狀態(tài)，在導(dǎo)流板作用下，大型風(fēng)機(jī)組和小型風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流構(gòu)成小單元?dú)饬餮h(huán)，導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)能夠使氣流得到有效利用，縮短速凍時(shí)間，加快降溫速度，保障沙棘枝條果速凍效率。

圖1 速凍庫(kù)結(jié)構(gòu)示意

1.2 導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有速凍庫(kù)內(nèi)部氣流和溫度不均勻，難以形成回流區(qū)，影響沙棘枝條果速凍效率的問題，在速凍庫(kù)內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)流板用于改變風(fēng)機(jī)組風(fēng)向，引導(dǎo)風(fēng)向處于循環(huán)狀態(tài)，加快制冷速度，縮短制冷時(shí)間，保障沙棘枝條果速凍效率。導(dǎo)流板的材料主要為玻璃鋼，后端與大型風(fēng)機(jī)組固定，呈近似四分之一圓形，寬度為3m，其結(jié)構(gòu)如圖2。通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)地試驗(yàn)分析預(yù)測(cè)出有無導(dǎo)流板速凍庫(kù)的氣流場(chǎng)預(yù)測(cè)圖，如圖3、圖4。

圖2 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖4 改進(jìn)前速凍庫(kù)氣流場(chǎng)預(yù)測(cè)

1.3 理論分析

在本研究中，流體流動(dòng)被認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的、不可壓縮的三維湍流，假設(shè)流動(dòng)氣體為穩(wěn)態(tài)，符合質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒[11-12]，為研究方便，需做如下假設(shè)：

（1）速凍庫(kù)內(nèi)空氣符合Boussineq假設(shè)并不可壓縮；

（2）速凍庫(kù)內(nèi)為試驗(yàn)所搭建的鐵架、鐵絲和管道對(duì)速凍庫(kù)內(nèi)的流場(chǎng)沒有影響；

（3）速凍庫(kù)內(nèi)的空氣流動(dòng)屬于穩(wěn)態(tài)紊流。

速凍庫(kù)主要是依靠冷風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制性對(duì)流實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的流動(dòng)分布。整個(gè)沙棘速凍庫(kù)裝置的氣流出口為冷風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，通道內(nèi)的進(jìn)風(fēng)口邊界定義為速度入口。在標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型中，常用湍流強(qiáng)度與湍流粘度比這兩個(gè)指標(biāo)來表示湍流，本文將湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，湍流粘度比為10[13]。進(jìn)風(fēng)口的速度取值為5m/s，進(jìn)風(fēng)口的溫度按速凍通道內(nèi)設(shè)計(jì)的溫度-30℃（243.15K）來賦值。針對(duì)對(duì)流換熱，本文采用第三類邊界條件，隧道內(nèi)鋼板采用壁面無滑移條件，對(duì)流換熱系數(shù)為35w/（m2K）。在相應(yīng)模塊中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[14]，壁面附近設(shè)置4 層膨脹層并對(duì)局部位置進(jìn)行加密，最終二維網(wǎng)格數(shù)達(dá)58020個(gè)。經(jīng)過仿真處理，選擇有代表性的切面輸出沙棘速凍隧道的氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的維圖。

1.4 模擬分析

由圖5、圖6 可知，改進(jìn)前速凍庫(kù)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)速會(huì)逐漸減弱，受風(fēng)速影響區(qū)域較少，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口方向、風(fēng)機(jī)上部和速凍庫(kù)靠近內(nèi)墻壁區(qū)域受到影響較大。改進(jìn)后速凍庫(kù)中風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)速也會(huì)逐漸減弱，受到風(fēng)速影響的區(qū)域較多，主要為導(dǎo)流板附近區(qū)域、風(fēng)機(jī)上下區(qū)域和速凍庫(kù)靠近內(nèi)墻壁區(qū)域。

圖5 改進(jìn)前速凍庫(kù)風(fēng)速三維圖

圖6 改進(jìn)后速凍庫(kù)風(fēng)速三維圖

如圖7，改進(jìn)前速凍庫(kù)氣流具有貼壁流動(dòng)特征且速凍庫(kù)右下角存在渦流區(qū)。經(jīng)過冷風(fēng)機(jī)處理后的空氣以射流形式從送風(fēng)口射出，一部分由于壁面分子的粘性貼壁流動(dòng)，另一部分由于自身重力原因向下流動(dòng)，到達(dá)底部拐角處速度方向突然改變，在該處形成渦流區(qū)。流經(jīng)儲(chǔ)存區(qū)的氣流較少且較為紊亂，難以形成回流區(qū)，可知?dú)饬骼寐瘦^低，物料區(qū)域受到氣流影響較小。如圖8，改進(jìn)后速凍庫(kù)中氣流總體呈大回流形式，導(dǎo)流板區(qū)域流速偏大，風(fēng)機(jī)上方區(qū)域流速較小，這是由于氣流經(jīng)過冷風(fēng)機(jī)吹出會(huì)沿著導(dǎo)流板外形流入存儲(chǔ)區(qū)域，經(jīng)過存儲(chǔ)區(qū)域的氣流一部分流向回風(fēng)口，另一部分在速凍庫(kù)底部形成渦流，儲(chǔ)存區(qū)域氣流較改進(jìn)前多，流動(dòng)性良好，氣流流向趨于穩(wěn)定，氣流利用率較高，回流區(qū)域較多，儲(chǔ)存區(qū)域受到氣流影響較大。

圖7 改進(jìn)前速凍庫(kù)氣流分布

圖8 改進(jìn)后速凍庫(kù)氣流分布

由圖9、圖10可看出改進(jìn)前速凍庫(kù)溫度場(chǎng)在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)速作用下出風(fēng)口附近區(qū)域溫度在-20～-30°C 之間，其溫度較低，區(qū)域面積較小，存儲(chǔ)區(qū)域溫度為-20°C，有一部分溫度較低區(qū)域在墻壁上；改進(jìn)后速凍庫(kù)溫度場(chǎng)在風(fēng)機(jī)風(fēng)速作用下出風(fēng)口和導(dǎo)流板附近區(qū)域的溫度在-20～-29°C 之間，其溫度較低，區(qū)域面積較大，儲(chǔ)存區(qū)域的溫度能夠維持在-20°C，有一部分溫度稍低的區(qū)域在風(fēng)機(jī)的下方，溫度為-18～19℃。

圖9 改進(jìn)前速凍庫(kù)溫度場(chǎng)梯度

圖10 改進(jìn)后速凍庫(kù)溫度場(chǎng)梯度

由圖11 可知改進(jìn)前速凍庫(kù)溫度速度流線大多數(shù)在出風(fēng)口附近進(jìn)行回流，氣流貼壁流動(dòng)，在壁面附近形成了一個(gè)低溫區(qū)域，主要溫度速度流線都經(jīng)過低溫區(qū)域，其存儲(chǔ)區(qū)域經(jīng)過溫度流線較少，說明制冷速度較慢。由圖12可知改進(jìn)后速凍庫(kù)溫度速度流線從整體上看相對(duì)比較整齊有順，較多數(shù)溫度速度流線在導(dǎo)流板附近和儲(chǔ)存區(qū)域進(jìn)行回流，其回流區(qū)域較大，回流數(shù)量較多，表明制冷速度較快。

圖11 改進(jìn)前速凍庫(kù)溫度流線

圖12 改進(jìn)后速凍庫(kù)溫度流線

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 儀器設(shè)備

（1）迷你風(fēng)速計(jì)：本試驗(yàn)采用手持式風(fēng)速儀測(cè)量出風(fēng)口和回風(fēng)口風(fēng)速，具體參數(shù)如下，風(fēng)速測(cè)量范圍：0～30m/s，測(cè)量精度：5%，分辨率：0.1m/s，采樣速率：0.5s。

（2）數(shù)字探針測(cè)溫儀：本試驗(yàn)采用數(shù)字探針測(cè)溫儀測(cè)量速凍庫(kù)各點(diǎn)溫度，具體參數(shù)如下：溫度測(cè)量范圍-40～155℃，測(cè)量精度±0.5 ℃，分辨率0.1℃。

（3）電子秤：將采集的沙棘枝條果剪至15～20cm迅速裝框，運(yùn)輸至冷藏室中備用。通過風(fēng)速儀、數(shù)字探針測(cè)溫儀及電子稱對(duì)改進(jìn)前后不同凍結(jié)時(shí)間速凍庫(kù)溫度和風(fēng)速進(jìn)行記錄。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)指標(biāo)為制冷溫度和人工勞動(dòng)時(shí)間。人工勞動(dòng)時(shí)間為將待凍沙棘放入庫(kù)內(nèi)和取出所花費(fèi)的時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 改進(jìn)前后速凍庫(kù)性能參數(shù)對(duì)比

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的運(yùn)行時(shí)間和相同的投入枝果質(zhì)量條件下，改進(jìn)后速凍庫(kù)制冷速度比改進(jìn)前速凍庫(kù)制冷速度快1.25 倍左右，人工勞動(dòng)時(shí)間明顯縮短了2.5 倍左右，勞動(dòng)效益得到顯著提高，大幅降低了用工量。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于氣流場(chǎng)，改進(jìn)前速凍庫(kù)氣流多為貼壁流動(dòng)，存儲(chǔ)區(qū)域氣流較為紊亂，很難形成回流區(qū)，改進(jìn)后速凍庫(kù)的氣流貼壁流動(dòng)現(xiàn)象減少，存儲(chǔ)區(qū)域氣流井然有序，形成大面積回流區(qū)。

（2）對(duì)于溫度場(chǎng)，改進(jìn)前速凍庫(kù)溫度流線多數(shù)在出風(fēng)口處進(jìn)行回流，存儲(chǔ)區(qū)域流經(jīng)的氣流較少，可知存儲(chǔ)區(qū)域受到影響較??；改進(jìn)后速凍庫(kù)溫度流線在導(dǎo)流板處進(jìn)行回流，存儲(chǔ)區(qū)域流經(jīng)的氣流較多，回流區(qū)較多，可知存儲(chǔ)區(qū)域受到影響較大。

（3）在速凍庫(kù)頂部設(shè)計(jì)導(dǎo)流板有利于速凍庫(kù)內(nèi)部氣流流入存儲(chǔ)物料區(qū)，提高速凍庫(kù)的速凍效率。