摘要： 为了使冷库内温度场均匀，本文基于数值模拟软件Fluent，对不同风速进入冷库所形成的空气流场及其对温度场的影响进行了数值模拟。当进入冷库的风速分别为1，3，5 m/s时，对冷库的影响情况进行模拟和分析。分析结果表明，在一定速度范围内，随着风速的增加，降温能力增强，换热效果好，降低到冷库所需温度的时间减少，但超出该范围，制冷效果并不明显。通过对3种情况的研究表明，当进风口风速为3 m/s时，该冷库整体换热效果最好，最为节能。该研究具有一定的创新性和实际应用价值。
关键词： 冷库； 数值模拟； 空气流场； 温度场
中图分类号： TB69. TB657文献标识码： A
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对冷鲜食品的质量要求越来越高，因此冷库在食物储藏、运输和保鲜中的作用尤为重要[12]。冷库内只有保持合理的空气流场，才会使冷量均匀分配，既降低了能耗，又提高了储存货物的质量[34]。近年来，数值计算技术用于食品、制冷等实际工程中，且效果明显，但在冷库中的应用较少[57]。由于不同条件对冷库流场和温度场的影响不同，很难通过实验逐个研究，所以应用计算流体力学数值模拟软件技术将不同条件对冷库的影响进行数值模拟，既简单方便，又省时省力[812]。俞炳丰等人[13]对空气在冷冻箱中的流动情况進行了数值模拟；H.B.Nahor等人[14]对冷库建立了一种三维模型，并对其中的温度、速度、湿度进行了数值模拟和研究；M.K.Chourasia等人[1516]对不同风速在冷库中的影响进行了研究，为以后冷库的发展指明了方向；胡熊飞等人[17]对2个不同冷库内气流组织模拟，发现在冷库流场中存在一个回流区，靠近壁面的地方，主流有靠近边界流动的趋势；吴天等人[18]建立了二维和三维模型，对储藏果蔬的冷库中的气流流场进行模拟，并提出了一些改善措施；余克志等人[1920]建立二维数学模型，对冷库中的货物因其高度大小、位置不同等方面对温度场和气流场的影响进行了研究。基于此，本文借助数值模拟软件Fluent，对不同风速进入该冷库所引起的温度场和空气流场分别进行研究。结果表明，当进风速度为3 m/s时，冷库整体换热效果最佳。该研究具有较好的节能性和经济性。
1冷库数学模型
1.1建立数学模型及其简化假设
以冷库的低温空间为研究对象，外型尺寸为5 m×25 m×3 m的长方体，风机距地面0180 m，送风口尺寸05 m，数目4个，出风口为百叶窗式，距离地面1 m，宽度与4个风机等距。为简略处理，低温间的货架省略，
将货架格子简化为400 mm×400 mm×200 mm的长方体，格子上下间距80 mm、左右间距100 mm、两排货架间距650 mm、最底层格子距地350 mm。低温间示意图如图1所示。
为简化研究，假设：
1）库体是封闭的。
2）冷库中无货物。
3）对冷库内铁架的支撑物进行简化。
4）冷库内的气体为不可压缩气体且符合Boussinesq假设，除了引起流体流动的密度差外，方程式中的其他物性参数均可当作常数且密度差和温度差成正比。
在Gambit中进行建模，生成209 919个网格，冷库模型图如图2所示。图中大长方体为冷库，小长方体为储存格，将网格文件导入Fluent软件进行数值模拟。对上述模型进行网格划分，网格划分示意图如图3所示。
1.2控制方程的建立
建立湍流模型标准kε模型方程，其湍流动能k方程为
ρkt+ρkuixi=xjμ+στσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM+Sk（1）
扩散方程为
tρε+xiρεui=xjμ+μtσεεxj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k+Sε（2）
式中，Gk为平均速度梯度所引起的紊动能k产生项；Gb为浮力所引起的紊动能k产生项；YM表示可压紊流中脉动扩张的波动；C1ε，C2ε，C3ε为经验常数，默认值为144，192，009；σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特数，在Fluent中默认值分别为10，13；Sk和Sε为用户自定义项；μt为湍流粘度系数。ρ是流体密度；t是温度；ui是i方向脉动速度；xi和xj表示笛卡尔坐标系中的i和j方向；μ是湍流粘度；στ是能量方程中的湍流普朗特数；ε是紊流脉动动能的耗散率；k表示笛卡尔坐标系中的k方向。
质量守恒方程为
ρt+uρux+vρvy+wρwz=0（3）
动量守恒方程为
ρuit+ρuiujxj=-pxjμ+μtuixj+ujxi+ρβgiTref-T（4）
能量守恒方程为
ρht+ρhujxj=xjλcp+μtPrthxj+Sh（5）
式中，ρ为密度，kg/m3；u、v、w为速度矢量V沿x、y、z轴的速度分量；P为压力，Pa；μ为层流动力粘度，kg/m·s；β为膨胀系数，1/k；Tref为参考温度，K；T为温度，K；h为定压比含值；J/kg；gi为i方向的重力加速度，m/s2；Sh为热源，W/m3；λ为热导率，W/m·k；cp为定压比热容，J/kg·k；Prt为湍流Prandtl数。
以上的质量方程、动量方程、能量方程可表示为通用方程，即
ρΦt+divρuφ=divΓφgradφ+Sφ（6）
式中，φ为通用变量，表示u、v、w、T待求变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。
2模拟结果及分析
2.1边界条件的设定
模拟流场的入口边界条件采用速度进口，出口边界条件采用压力出口，出口压力设为大气压，出口温度设为环境温度，即P=101 325 Pa，T=300 K；风机出口温度为-35 ℃，冷库初始温度为20 ℃；送风速度分别为1，3，5 m/s；采用非稳态模型及k-ε湍流模型，因为k和ε很难进行测量和计算，采用紊流强度与特性尺寸来定义紊流，大小设为5%；由于送风口为圆形，水力直径定为圆的直径，05 m。
2.2不同进风速度对库中温度的模拟及分析
当进风速度分别为1，3，5 m/s，冷却时间为1 h时，将不同进风速度对冷库中低温间的影响进行仿真模拟，切面温度场变化如图4所示。
由图4a可以看出，当冷却时间为1 h，进风速度为1 m/s时，只有低温库的部分區域温度降到了-30 ℃，绝大部分温度较高，处于淡蓝色区域，货架及货架格子属于金属材质，温度未发生变化，处于红色高温区；由图4 b可以看出，当进风速度为3 m/s时，低温间部分区域的温度下降到-30 ℃以下，处于蓝色区域， -20 ℃时，处于淡蓝色区域；而靠近进风口的货架温度下降明显，处于0～10 ℃，显示为黄色和橘黄色；远离进风口的货架温度下降不明显，处于红色高温区域；由图4c可以看出，当进风速度为5 m/s时，低温库中的温度绝大部分已经下降到-30 ℃以下，只有很少一部分处于-20 ℃以上的淡蓝色区域，其中越靠近壁面，温度下降越明显，靠近进风口货架的温度下降更明显，处于零下区域，在图中显示为绿色、橘黄色、黄色，而中间区域温度下降到10 ℃，图中显示为橘黄色，且最高处温度变化不明显，处于红色高温区。
当进风速度分别为1，3，5 m/s，冷却时间为2 h时，切面温度场变化如图5所示。
由图5a可以看出，当冷却时间为2 h，进风速度为1 m/s时，低温库的部分区域温度下降到-25 ℃，处于蓝色区域，部分温度降到-10～-20 ℃，处于淡蓝色区域；靠近进风口的货架和货架格子温度明显下降，处在5～15 ℃，显示为橘黄色和浅红色；而远离进风口的货架温度变化缓慢，显示为红色高温区；靠近墙壁的进风口区域，温度下降到-30 ℃以下，处于深蓝色区域。由图5b可以看出，当进风速度为3 m/s时，低温间绝大部分温度下降到-25～-30 ℃，处于淡蓝色区域；靠近进风口的货架区域温度下降明显，处于-10～0 ℃，显示绿色和黄色；而远离进风口的货架区域温度变化缓慢，处于0～10 ℃，显示为橘黄色和红色。由图5c可以看出，当进风速度为5 m/s时，低温库的温度部分下降到-25 ℃以下，处于蓝色区域；部分处于-30 ℃ ，处于深蓝色区域；靠近进风口的货架区域温度最低降到-20 ℃，大部分降到-10 ℃，显示为淡蓝色、绿色、黄色，而中间区域温度降到0 ℃，显示为黄色；最高处温度降到10 ℃，显示为橘黄色和红色。
当进风速度分别为1，3，5 m/s，冷却时间为3 h时，切面温度场变化如图6所示。
由图6a可以看出，当冷却时间为3 h，进风速度为1 m/s时，低温库的温度绝大部分降到-25 ℃以下，处于蓝色区域；而靠近进风口的墙壁区域，温度降到-30 ℃以下，处于深蓝色区域；靠近进风口的货架及货架格子区域温度下降较明显，处于0～5 ℃之间，显示为黄色；而远离进风口的货架区域温度变化不明显，处于红色高温区。由图6 b可以看出，当进风速度为3 m/s时，低温库的温度绝大部分降到-30 ℃之下，处于蓝色区域；而靠近进风口的货架及货架格子区域温度处于-15～-5 ℃，显示为浅绿色和绿色；而远离进风口的货架区域温度变化较缓慢，处于0～5 ℃之间，显示为黄色和橘黄色。由图6 c可以看出，当进风速度为5 m/s时，低温库的温度绝大部分已经降到-30 ℃以下，处于深蓝色区域；靠近进风口的货架及货架格子区域温度大部分降到-20 ℃，处于淡蓝色区域；而中间区域温度降到-10 ℃之间，处于黄色和绿色区域，最高处温度下降到0 ℃左右，处于黄色和橘黄色区域。
当进风速度分别为1，3，5 m/s；冷却时间为4 h时，切面温度场变化如图7所示。
由图7a可以看出，当冷却时间为4 h，进风速度为1 m/s时，低温库绝大部分温度降到-30 ℃以下，处于蓝色区域；而靠近进风口墙壁区域，温度降到-30 ℃以下，靠近货架格子处为-20 ℃，处于深蓝色区域；靠近进风口的货架货架格子区域温度下降较明显，处于-30 ℃到0 ℃之间，显示为黄色、浅绿色和红色；而远离进风口的货架温度变化不明显，处于红色高温区。由图7 b可以看出，当送风速度为3 m/s时，低温库的温度全部降到-30 ℃之下，处于蓝色区域；而靠近进风口的货架和货架格子区域温度处于-20～-15 ℃之间，处于浅绿色和绿色区域；而远离进风口的货架区域温度处于-15～0 ℃之间，处于黄色、橘黄色、绿色区域。由图7c可以看出，当进风速度为5 m/s时，低温库的温度已经绝大部分降到-35 ℃，处于深蓝色区域；靠近进风口的货架区域温度大部分降到-30 ℃，处于蓝色区域；而中间区域温度降到-20～-10 ℃之间，显示为淡蓝色和绿色区域，最高处温度下降到-10～0 ℃之间，显示为黄色、橘黄色和绿色区域。
由以上分析可知，在对冷库降温过程中，若只考虑进风速度，且其它条件相同的情况下，不同的进风速度对冷库的冷却能力不一样，而且在一定范围内，随着风速的提高，其降温能力也随之增强，但在冷却时间为3 h后，风速为3 m/s和5 m/s两种进风形式，对库体的冷却速度差别不大。鉴于对节能和机组运行的考虑，选用进风速度为3 m/s较为合理，且风速为3 m/s 时，冷库整体换热效果最好。
2.3进风速度为3 m/s时对库内速度场的模拟及分析
为研究不同时段冷库中速度场和压力场的变化和影响，以进风速度为3 m/s的冷库为研究对象，在进风口和出风口之间取一段截面进行分析，切面速度场壁变化如图8所示。
由图8可以看出，靠近进风口的区域，速度最大，处于2～25 m/s时，显示为绿色区域；货架区，离进风口和出风口近的区域速度处于1 ～15 m/s，显示为浅蓝色区域；离进风口远的货架区域由于货架和距离的影响，风速降低，大小在08～1 m/s之间，显示为蓝色、深蓝色和浅蓝色交汇区域。左侧区域，由于没有货架的影响，风速分布比较均匀，中心区域速度最低，大小为05 m/s，而靠近进风口区域，受进风口和出风口影响，风速相对较高，大小为06～08 m/s。而最里面区域，受旁边货架的影响，风速较大，大小为08 ～1 m/s，由此可以看出，货架对速度场的影响较大。
3结束语
本文利用数值模拟软件Fluent，针对不同风速对冷库温度场和流场性能的影响进行研究。当进入冷库的风速分别为1，3，5 m/s时，对冷库所形成的影响进行模拟和分析，结果表明，当进风速度为3 m/s时，冷库整体换热效果最好，风速最为合理。在一定的速度范圍内，随着风速的增加，降温能力增强，换热效果好，降低到冷库所需温度的时间减少，但超出该范围，制冷效果并不明显。该模拟结果对低温冷库的研发具有指导作用，具有一定的创新性和工程实际应用价值。但在模拟过程中存在许多假设，未考虑冷库中货物或货架对流场的影响，接下来的研究方向是为了符合实际需要对模型进行优化分析。
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