纖維風管噴射滲透比對冷藏庫內流場特性的影響

南曉紅，魏高亮，趙喜梅

纖維風管噴射滲透比對冷藏庫內流場特性的影響

南曉紅，魏高亮，趙喜梅

（西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院，西安 710055）

纖維風管因具有均勻送風的特點而適用于冷庫中，為了明確其開孔形成的噴射送風和風管表面滲透送風的占比對于庫內貯藏環境的影響，該研究以西安某實際蘋果冷藏庫為研究對象，采用數值模擬的方法研究了纖維風管噴射滲透比為僅噴射送風、3∶1、1∶1、1∶2和僅滲透送風這5種工況下冷藏庫內速度場和溫度場，以確定貯藏環境適宜的噴射滲透比。結果表明：在冷風機制冷量一定的前提下，隨著噴射滲透比值降低（即噴射送風量減少），冷藏庫內空氣區平均速度近似線性降低且速度均勻性逐漸升高，相對于純噴射工況而言，噴射與滲透相結合的送風方式可以更好地滿足冷藏庫風速要求；隨著噴射滲透比值降低，冷藏庫內貨物區平均溫度先降后升且溫度均勻性逐漸降低，說明噴射為主滲透為輔的送風方式更能滿足貯藏環境溫度的要求。研究表明噴射滲透比為3∶1時庫內平均速度低于0.5 m/s，貨物平均溫度為(0±0.5 )℃，蘋果貯藏環境適宜。研究結果為果蔬冷藏庫纖維風管的設計及選型提供理論參考。

速度；溫度；貯藏；纖維風管；噴射滲透比；冷藏庫

0 引 言

冷藏庫作為果蔬貯藏保鮮的重要設施，其環境控制對于提升果蔬貯藏品質意義重大。冷藏庫內氣流速度不均勻容易造成果蔬的干耗，同時溫度的波動會刺激果蔬的呼吸而縮短保鮮周期，所以保證庫內速度及溫度分布的均勻性是冷庫設計和運行時應該著重考慮的問題。

冷藏庫內適宜的貯藏環境是保障果蔬貯藏品質的關鍵。文獻[1-2]以果蔬冷藏庫為研究對象，采用模擬加試驗的方式探明貨物貯藏期間冷藏庫內的流動與傳熱特性，表明CFD（Computational Fluid Dynamics）技術對流場具有很好地預測作用。文獻[3-6]分別針對冷藏庫內貨物的包裝以及擺放方式對庫內流場的改善進行了相關研究。文獻[7-8]針對冷藏庫加裝空氣幕對于庫內溫度場的穩定性的研究表明空氣幕的重要性。本課題組[9-10]通過分析比較不同的送風方式對于冷藏庫內溫濕度場的影響，表明新型送風方式對流場具有改善作用。

纖維風管是一種由特殊聚酯纖維制成的集空氣分布和空氣傳輸于一體的末端裝置，具有送風均勻、無吹風感、防結露、環保易清潔等優點。文獻[11-12]采用理論、試驗和模擬的研究方法全面闡明了噴射加滲透式纖維風管的氣流組織特性。文獻[13-14]對比研究冷凍食品加工室內冷風機、散流器和纖維風管送風的流動特征表明纖維風管的優越性。由于纖維風管具有的上述特點能較好地滿足冷藏庫的貯藏要求亦可應用于冷庫中，文獻[15-16]系統介紹纖維風管在冷庫中的應用優勢。

噴射滲透式纖維風管通過開設一定形式的孔口形成噴射送風，纖維風管表面因孔隙的存在形成滲透送風，從而在庫內形成強制對流與自然對流相耦合的傳熱方式。當總送風量不變時，將噴射風量與滲透風量的比定義為噴射滲透比。纖維風管應用于果蔬冷藏庫中，其噴射送風量和滲透送風量比例的合理確定是這種風管設計和選型的技術難題。研究噴射滲透送風引起的強迫對流和自然對流耦合傳熱現象，闡明噴射滲透比對于果蔬貯藏環境流場的影響規律具有重要學術及工程指導意義。為了探究纖維風管送風方式下冷藏庫內流動傳熱特性以及噴射滲透比對于庫內氣流流場的影響規律，本文以西安某50 t蘋果冷藏庫為研究對象，對在不同噴射滲透比下纖維風管送風的庫內流場進行穩態數值模擬研究，以適宜的果蔬貯藏環境為依據，獲得合理的風管噴射滲透比。研究旨在為冷藏庫纖維風管送風設計提供科學、合理的理論指導。

1 CFD計算模型

1.1 物理模型

本文的研究對象為西安某50 t蘋果冷藏庫，標準的貯藏環境為風速低于0.5 m/s，溫度為（0±0.5）℃。冷卻設備是吊頂式冷風機，尺寸為1.8 m×0.5 m×0.6 m（長×寬×高），冷風機回風口在風機背面，送風裝置采用冷風機出風口連接半圓式纖維風管貼附屋頂安裝。庫內裝設的纖維風管直徑為0.8 m，長度為6.9 m。在風管軸向兩側頂端均勻開設噴射小孔，依據噴射送風量確定小孔尺寸及數量。本文小孔孔徑為0.01 m，間距0.02 m，風管單側小孔數為325個。貨物采用堆垛式排列，平行碼放成4堆，堆碼的貨物間距0.2 m，距離兩側墻、后墻和地面為0.3 m，前墻為1.1 m。冷藏庫模型及纖維風管截面示意圖見圖1。

圖1 冷藏庫模型及風管截面示意圖

為了更加準確的描述冷藏庫內流動狀況，將庫內環境劃分為空氣區和貨物區，同時為簡化計算對該模型作出下列假設：1）空氣物性參數是常數，為不可壓縮流體，同時滿足Boussinesq假設；2）貨物區為均勻的多孔介質，其熱物理性質在所研究溫度范圍內是恒定的；3）貨物的呼吸熱在所研究的溫度范圍內恒定；4）空氣和貨物之間的熱傳遞由熱傳導和熱對流機制控制，忽略輻射傳熱。

1.2 數學模型

1.2.1 控制方程

1.2.2 貨物區處理

Duret課題組的研究結果表明蘋果冷藏庫中貨物采用多孔介質處理可以得到較好的預測結果[18-20]。本文中將貨物區看作多孔介質區域，蘋果對應于多孔介質顆粒，蘋果間隙處的空氣對應于多孔介質中的流體。

1）貨物區多孔介質阻力

由于纖維風管的送風作用使得庫內空氣向貨物區滲流并且會受到貨物區蘋果帶來的阻力作用，這部分阻力主要表現為黏性阻力和慣性阻力，在數值計算中作為動量方程的源項處理。

依據Ergun方程[21]可以得到黏性阻力系數和慣性阻力系數：

本文研究的的蘋果是80果，即直徑為80 mm的蘋果，經計算貨物區孔隙率為0.45。計算可得黏性阻力系數為77 803.5 m-2，慣性阻力系數為264.1 m-1。

2）貨物區呼吸熱

該研究中將恒定的果蔬呼吸散熱量設置成能量方程中的源項，蘋果的呼吸散熱量可由文獻[22-23]查得。

1.2.3 邊界條件及數值方法

合理的邊界條件對于數值計算起著重要的作用，針對本文研究對象，計算域為不含風機風管的冷藏庫，其速度及溫度邊界條件設置如下：

1）入口邊界（風管送風）：包括送風速度、送風溫度、水力直徑和湍流強度。參考杜肯索斯纖維風管選型手冊，選擇5種滲透速度（0、0.04、0.08、0.10、0.14 m/s），基于冷風機總送風量不變確定噴射風速，從而確定5種噴射滲透比，見表1，根據不同的噴射滲透比確定噴射送風速度和滲透送風速度。送風溫度恒定為272.15 K。水力直徑和湍流強度的計算式如下：

表1 噴射滲透比設定表

其中，由上式計算可得噴射滲透比1∶0和0∶1工況下風管送風水力直徑分別為0.01 m和4.6 m，湍流強度分別為5.31%和4.15%，噴射滲透結合送風時湍流強度應處于兩者之間。湍流強度小于1%為低湍流強度，高于10%為高湍流強度，可以認為5種噴射滲透比下冷藏庫內流場均處于湍流狀態。

就這一聲悶響，三妮一聲驚叫撲在了我懷里。我緊緊地摟住她。這時候，我感到她兩個碩大的奶子像兩只小貓，熱烘烘地在我胸口上只抓撓。我有些受不了，解下了她的上衣和褲子。

3）冷庫壁面熱邊界條件：

由于研究對象為某實際冷庫中的一間冷藏間，如圖 1a所示。圍護結構均為保溫墻體，其保溫材料為聚苯乙烯發泡塑料，圍護結構的表面傳熱系數及熱流密度選取參照冷庫設計規范的要求。冷間前墻（內墻）：第三類邊界條件，壁面處對流換熱系數為2 W/ m2·K，庫外空氣溫度285.15 K，墻體厚度668 mm；后墻（外墻）：第三類邊界條件，壁面處對流換熱系數為3 W/ m2·K，庫外空氣溫度293.45 K，墻體厚度668 mm；屋頂：第三類邊界條件，壁面處對流換熱系數為1.5 W/ m2·K，庫外空氣溫度293.45 K，墻體厚度334 mm；側墻（隔墻）：第二類邊界條件，熱流密度為1 W/m2；地面：第二類邊界條件，熱流密度為1.2 W/m2。

2 網格無關性與模型驗證

2.1 網格無關性驗證

數值計算的網格質量好壞直接影響到計算結果的斂散性及精度[24]。為了獲得網格獨立的計算結果，本文針對冷藏庫模型進行了5種網格數量的結構化網格劃分。圖2為不同網格數量下貨物區平均溫度以及空氣區平均溫度的變化趨勢，當網格數量由196×104變化到397×104時，貨物區和空氣區平均溫度的變化小于0.02%，相對變化率明顯低于前幾組網格數的結果，可認為網格數量為196×104時計算結果與網格數量無關。因此選擇這一網格數進行后續計算和分析。

2.2 模型驗證

氣體從狹長縫隙中外射而出時，射流只能在垂直條縫長度的平面上擴散運動，當條縫相當長時可以看作平面射流。本文研究中風管側面開有密集小孔，小孔射流呈條縫型分布，因而可近似看作平面射流。蔡增基等[25]通過理論分析得出的平面射流軸線速度衰減公式，被公認能夠準確揭示平面射流運動的速度衰減過程。公式如下：

式中代表射流軸心速度，m/s；代表送風速度，m/s；代表紊流系數，平面射流中的風管縱向縫可取0.155；代表測點離風口的距離，m；代表風口的高度，m。

為了驗證數值模擬結果的準確性，該研究選用纖維風管噴射滲透比3∶1下噴射送風的軸線速度與上述經驗公式進行對比分析，如圖3所示。可以看出模擬結果與經驗公式計算結果呈現相似的規律，平均相對誤差為11.89%，偏差主要集中于射流衰減的前期，后期的衰減規律基本一致，原因在于本文中的密集小孔與實際條縫風口存在一定差別，射流受到孔口尺寸和間距的影響，使得模擬計算前期的速度衰減較慢，隨著無因次距離的增大，射流達到充分發展，兩者的計算結果趨于一致。可以說明數值模型的準確性，可用于本文的冷藏庫氣流組織特性研究。

注：噴射滲透比3∶1工況數值計算結果。

3 結果與分析

選取冷藏庫長度方向=2.3 m以及寬度方向=3.5 m為代表性截面，以噴射滲透比3∶1為例分析庫內流場分布。此外，在冷藏庫貯藏主體區域建立3個高度方向監測面（=0.6 m、=2.8 m、=5.0 m），分析噴射滲透比對空氣區的速度及貨物區的溫度的影響，選取的代表性截面示意圖如圖4所示。

圖4 代表性截面示意圖

3.1 速度分布

3.1.1 代表性截面速度場

由圖5a速度分布可以看出，冷藏庫內絕大部分區域風速較小，且不存在傳統冷庫的局部送風死角的問題。貨物區由于自身阻力的存在導致風速較低，多在0.05 m/s，貨物堆間隙處的最大流速為0.5 m/s，貨物堆與圍護結構之間的速度梯度相對較大而容易造成果蔬干耗。流線圖可以直觀地反映貨物貯藏期間冷藏庫內氣流的流動形態和方向。由圖5b流線圖看出，風管兩側噴射氣流水平貼附流動，在側壁處形成撞擊流并轉向豎壁貼附流動。沿程由于逆壓梯度的作用而卷吸周圍的空氣形成漩渦，兩側氣流到達地面轉向后在冷庫中心處形成對沖作用而上升。貨物區形成良好的回流現象，由此可以在庫內形成均勻的流場。

圖5 噴射滲透比3∶1下速度分布

3.1.2 高度方向空氣區平均速度

由速度分布圖可以看出冷藏庫內空氣區相對于貨物區存在明顯的速度梯度，因此針對空氣區的速度變化進一步分析。圖6a為不同噴射滲透比下的冷庫高度方向空氣區平均速度的變化趨勢。可以看出不同噴射滲透比下空氣區平均速度均保持隨高度增加而逐漸增大的變化趨勢。原因在于隨著高度的增加，庫內氣流受到貨物區上部的空氣的卷吸作用以及貨物內部熱源引起的熱浮力作用逐漸增強而導致高度方向上的速度逐漸增大。隨著噴射滲透比值的降低，冷藏庫內各高度處空氣區的平均速度近似線性降低。此外，由各高度處的空氣區平均速度的均值來看，隨著噴射滲透比值的降低，平均速度的均值呈下降趨勢，分別為0.61、0.45、0.28、0.18和0.08 m/s，近似可以認為空氣區的速度逐漸降低。除噴射滲透比1∶0工況下庫內平均流速超出冷藏庫貯藏環境應低于0.5 m/s的風速要求外，其余4種噴射滲透比下的風速條件均滿足要求。圖6b為不同噴射滲透比下冷庫高度方向空氣區速度標準差的變化情況。可以看出各高度處空氣區的速度標準差均隨高度增加而增大，即速度均勻性逐漸降低。究其原因，隨著高度的增加，庫內氣流受到由貨物區上部的卷吸作用以及熱浮力作用，引起的擾動逐漸增強導致其速度均勻性逐漸降低。隨著噴射滲透比值的降低，各高度處空氣區的速度標準差均保持近似線性降低的變化趨勢，此外，高度方向各截面空氣區速度標準差的均值分別為0.42、0.29、0.18、0.12和0.05 m/s，由此近似認為庫內空氣區的速度均勻性逐漸升高。

注：Z為高度。

3.2 溫度分布

3.2.1 代表性截面溫度場

圖7是噴射滲透比3∶1下=2.3 m和=3.5 m截面的溫度分布圖。空氣區平均溫度為272.8 K，貨物區平均溫度為273.15 K且最高溫度為273.8 K，貨物區最大溫差為1 K，滿足庫內溫度貯藏要求，貯藏溫度條件較好。由圖7a看出，貨物區存在明顯的溫度分層現象，原因在于貨物區內部阻力以及呼吸散熱的影響使得冷空氣近似為層流流動。由圖7b看出，溫度等值線的連續性較好，風管下部的空氣區因滲透送風的存在溫度較低且因滲透風速低而形成明顯的溫度梯度。貨物區上部中心位置等溫線存在凸起現象，原因在于冷空氣在地面中心位置處對沖后上升使得冷庫中間位置的流線最密集，冷空氣在上升過程中溫度逐漸升高降溫能力下降，從而等溫線的分布受到流動的影響程度增強。

圖7 噴射滲透比3∶1下溫度分布

3.2.2 高度方向貨物區平均溫度

溫度場的分析顯示冷藏庫內貨物區相對于空氣區存在更為明顯的溫度梯度，由此針對貨物區的溫度變化進一步分析。圖8a是不同噴射滲透比下高度方向貨物區平均溫度的變化情況。隨著噴射滲透比值的降低，各高度處貨物區平均溫度呈現先降低再上升后平穩的變化趨勢。貨物區平均溫度先降低的原因在于噴射小孔的當量直徑很小，純噴射條件下形成的條形噴射氣流與壁面的對流傳熱更為強烈，使得射流主體的溫度偏高，即此時庫內對流換熱效果由傳熱溫差主導。此后平均溫度又逐漸上升的原因在于隨著噴射滲透比值的降低，滲透風量加大，庫內整體流速線性降低，使得庫內對流換熱系數逐漸減小，貨物區平均溫度再次上升。圖中可以較為明顯的看出噴射滲透比3∶1時，冷藏庫貯藏主體貨物區域溫度分布在272.86～273.33 K之間，貯藏溫度條件較佳。圖8b為不同噴射滲透比下高度方向截面貨物區的溫度標準差的變化情況。隨著噴射滲透比值的降低，相同高度處貨物區溫度標準差逐漸上升，溫度均勻性逐漸下降。其原因在于噴射滲透比值的降低使得冷藏庫內流速逐漸降低，導致庫內強制對流換熱逐漸變弱，使得溫度的均勻性逐漸降低。隨著噴射滲透比值的降低，各高度截面貨物區溫度標準差的均值分別為0.16、0.27、0.35、0.34和0.57 K，可以近似認為庫內貨物區的溫度均勻性逐漸下降。

注：Z為高度。

4 結 論

本文針對蘋果冷藏庫中采用纖維風管送風方式在不同噴射滲透比下的流場進行了數值模擬研究，獲得了噴射滲透比對于冷藏庫內速度及溫度分布的影響規律，具體如下：

1）隨著噴射滲透比值的降低，冷藏庫空氣區平均速度逐漸降低且速度均勻性逐漸升高，相對于純噴射工況，結合滲透的送風方式可以滿足冷藏庫貯藏風速要求。

2）隨著噴射滲透比值的降低，冷藏庫貨物區平均溫度先降低再上升后平穩，溫度均勻性逐漸下降，因此噴射為主滲透為輔的送風方式能較好的滿足冷藏庫對貯藏溫度的要求。

3）噴射滲透比3∶1時，庫內平均流速小于0.5 m/s，滿足蘋果貯藏的最佳風速要求；貨物區平均溫度在272.86～273.33 K之間，處于蘋果冷藏時要求的（0±0.5）℃的溫度范圍。因此，果蔬冷藏庫纖維風管送風設計時建議參考噴射滲透比值3∶1，即采用噴射為主導滲透為輔的送風方式。

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Effects of ejection-permeation ratio in fiber duct on the characteristics of air flow field in cold storage

Nan Xiaohong, Wei Gaoliang, Zhao Ximei

(,,710055,)

velocity; temperature; storage; fiber duct; ejection-permeation ratio; cold storage

南曉紅，魏高亮，趙喜梅. 纖維風管噴射滲透比對冷藏庫內流場特性的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(9)：300-307.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.034 http://www.tcsae.org

Nan Xiaohong, Wei Gaoliang, Zhao Ximei. Effects of ejection-permeation ratio in fiber duct on the characteristics of air flow field in cold storage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 300-307. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.034 http://www.tcsae.org

2020-01-14

2020-04-16

陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2018JM3038）

南曉紅，教授，主要從事制冷技術領域的科研與教學工作。Email：nanxh@xauat.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.034

TB61+1

A

1002-6819(2020)-09-0300-08