小型冷庫內溫度場的數值模擬

李藝哲,謝 晶

上海海洋大學 食品學院,上海 201306

小型冷庫內溫度場的數值模擬

李藝哲,謝 晶*

上海海洋大學 食品學院,上海 201306

本文利用數值模擬技術模擬了開關門各30 s過程中庫門附近及庫內溫度場的變化情況，結果表明在短時間的開門過程中，庫外空氣能很快滲入庫內并擾亂其溫度場；關門后，庫內下部的空氣降溫較快，上部降溫緩慢。因此，在冷庫開關門過程中會造成一定的能耗損失，應在庫門處安裝節能裝置。

冷庫;溫度場;數值模擬

隨著生活水平的提高，人們對冷凍食品的的質量要求越來越高，這推動了冷庫的快速發展，但是冷庫的設計也存在很多問題，不合理的設計會造成庫內氣流分布不均勻，造成能源的浪費[1-7]。特別是在冷庫開關門過程中，由于庫內外溫度差別較大，庫門處會產生熱濕、熱質交換，導致庫門處不同程度的結霜、庫溫升高、熱負荷增加等諸多問題[8]。近年來，數值模擬技術在各領域得到了廣泛的應用，并取得了很好的效果。本文利用計算流體力學（CFD）軟件，以及數值模擬理論，對一冷庫開關門過程中，庫門處溫度場的變化情況進行模擬，為下一步的研究提供理論基礎。

1 模型建立

選取上海市楊浦區某冷庫為研究對象，該庫的內部尺寸為長×寬×高＝4.2 m×3.6 m×3.0 m。冷庫采用吊頂排管式蒸發器制冷，由于研究要采用非穩態模型的運算量極大，現有計算機的運算水平有限，為了得到準確的模擬結果，應對物理模型進行簡化，因而將蒸發器模型簡化為一個長方體，其尺寸為長×寬×高＝3.6 m×3.0 m×0.38 m。冷庫門位于中間，尺寸為長×高＝1.2 m×2.0 m。冷庫壁面采用0.15 m厚的保溫隔熱層。冷庫的三維模型如圖1所示。

圖1 冷庫模型Fig.1 The model of a cold store

2 邊界條件的設定

當有貨物進出冷庫時，庫門需要開啟，而門附近的流體由于氣壓和風壓的作用，產生強烈的熱質交換，這不僅嚴重破壞庫內的流場分布，還影響食品的凍結質量。因此，本文分別對開關門10 s,20 s,30 s三個時間點庫門附近的溫度場進行模擬。

對蒸發器采用恒溫壁面，t=-22℃；對于冷庫壁面采用第二類邊界條件，壁面總熱阻為5.193，室內外設計溫度分別為-20℃、20℃，因此可求得壁面的熱流密度q=7.68 W/㎡；開門時，門附近的流體處于自然對流狀態，此時可采用速度入口，V=0.2 m/s，t=20℃；關門時，庫門設為壁面。

3 計算及結果分析

模擬中前處理采用CAD和GAMBIT軟件進行幾何建模及網格劃分，為了使模擬結果更準確，網格步長設置為0.25，一共生成大約226000個網格。將劃分好的網格文件導入FLUENT軟件中，并設置上述的邊界條件，采用SIMPLEC算法來求解壓力、速度的耦合。在計算過程中，將門設為壁面，先計算冷庫穩態的結果，再將此結果作為非穩態情況的初始條件進行計算。

通過模擬計算先得到冷庫在穩態條件下的結果，如圖2所示的三維溫度場分布圖以及圖3的截面圖，兩圖反映出庫內的溫度基本分布均勻，達到了冷庫所需的溫度，但在庫內的拐角處溫度偏高。

圖2 穩態結果的溫度場Fig.2 The temperature field of steady state

圖3 穩態結果的截面溫度場Fig.3 The sectional temperature field of steady state

為了更清晰直觀地研究在非穩態過程中庫內溫度場的分布，本文選取了兩個具有代表性的截面Z=1.7 m，Z=2.85 m。由模擬結果圖4、5可以看出，開門后10 s時，庫門處發生了強烈的熱質交換，室外的熱空氣逐漸滲入庫內；20 s時，外界空氣對庫內的影響范圍不斷加大，庫門附近上部的流體溫度升高較快，并不斷從上部向庫內蔓延，這是由于冷空氣的密度比熱空氣大，開門后，外界的一部分熱空氣從庫門上部流進庫內；30 s時，庫內溫度進一步升高，冷庫內的大部分空氣都受到不同程度的影響，但上部的整體溫度還是比下部略高。圖6、7分別是關門10 s、20 s、30 s的溫度場截面，當冷庫門關閉后10 s時，冷庫內的溫度場變化不是很大；20 s時，庫內的熱空氣由于密度作用流向頂部，下部溫度逐漸下降，上部空氣降溫較慢；30 s時，庫內下部的空氣大面積降溫。庫內上部的空氣雖然也在降溫，但由于大量的熱空氣導致此區域溫度下降較緩慢，因此，庫內流場若要恢復至穩態狀態，還需一段時間。

圖4 開門10 s、20 s、30 s的溫度場截面圖（Z=1.7 m）Fig.4 The sectional temperature fields when opening door at 10 s,20 s,30 s(Z=1.7 m)

圖5 開門10 s、20 s、30 s的溫度場截面圖（Z=2.85 m）Fig.5 The sectional temperature fields when opening door at 10 s,20 s,30 s(Z=2.85 m)

圖6 關門10 s、20 s、30 s的溫度場截面圖（Z=1.7 m）Fig.6 The sectional temperature fields when closing door at 10 s,20 s,30 s(Z=1.7 m)

圖7 關門10 s、20 s、30 s的溫度場截面圖（Z=2.85 m）Fig.7 The sectional temperature fields when closing door at 10 s,20 s,30 s(Z=2.85 m)

4 小結

本文使用FLUENT軟件對冷庫開關門的非穩態過程進行了模擬分析。結果發現，冷庫在開關門的過程中，由于在庫門處產生強烈的熱質交換，庫內溫度場受到劇烈擾動，特別在庫門處及庫門上部影響更加嚴重。為了保證冷庫內的溫度場波動較小，避免庫門處和排管結霜嚴重的現象，以及降低冷庫運行的能耗，可在庫門處安裝空氣幕機來有效阻隔外界的空氣，同時，在庫頂加裝風扇使上部空氣加速流動。本研究是以空庫為研究對象，模擬結果較好的預測了冷庫開關門的實際情況，希望能為下一步對帶貨物冷庫的研究打下基礎。

[1]謝 晶,吳 天.小型冷庫開關門過程溫度場的數值模擬[J].上海海洋大學學報,2006,15(3):333-339

[2]楊 磊,汪小旵.冷藏庫預冷降溫過程中溫度場的數值模擬與試驗研究[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2008,36(9):219-223

[3]劉妍玲,張 巖,王世清,等.果蔬擺放形式對冷庫內氣流場分布影響的研究[J].青島農業大學學報:自然科學版,2008,25(1):24-27

[4]謝 晶,瞿曉華,徐世瓊.冷藏庫內氣體流場數值模擬與驗證[J].農業工程學報,2005,21(2):11-16

[5]Hu Z,Sun DW.CFD simulation of heat and moisture transfer for predicting cooling rate and weight loss of cooked ham during air-blast chilling process[J].Journal of Food Engineering,2000,46(3):189-197

[6]Cortella G,Manzan M,Comini G.CFD simulation of refrigerated display cabinets[J].International Journal of Refrigeration,2001,24(3):250-260

[7]Guyot S,Marnet N,Sanoner P,et al.Direct thiolysis on crude apple materials for high-performance liquid chromatography characterization and quantification of polyphenols in cider apple tissues and juices[J].Methods in Enzymology,2001,335(2):57-70

[8]何嘉鵬.冷庫大門的流場分析[J].冷藏技術,1994(2):11-14

Numerical Simulation of Temperature Field in Small Cold Store

LI Yi-zhe,XIE Jing*
College of Food Science and Technology/Shanghai Ocean University,Shanghai201306,China

This paper simulated the temperatures changes nearby cold store door and inside cold store whenever the door was open and closed 30 S respectively with the numerical simulation technology.The results showed outside air was able to enter room and disturb the temperature field during a moment of opening the door.After closing the door,the air in the lower part of the storehouse is cooled rapidly,and the upper part is cooled slowly.Cold store door opening and closing process will cause some energy loss,energy saving device should be installed in the door.

Cold store;temperature field;numerical simulation

P412.11

A

1000-2327(2017)04-0525-03

2017-02-16俢回日期:2017-03-23

國家“十三五”重點研發項目(2016YFD0400303);上海市科委平臺能力提升項目(16DZ2280300)

李藝哲(1989-),男,碩士研究生.主要研究方向為動力工程.E-mail:liyizhemt@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:jxie@shou.edu.cn