軟門簾對冷庫非穩態流場影響的模擬及驗證

張曉晗，張春路

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 200020）

0 引言

冷庫作為現代物流的重要組成部分，是為貨物提供低溫儲存作用的特殊結構[1]。在冷庫的設計過程中，冷負荷計算是冷庫設計的基礎工作，在小型冷庫的運行過程中，貨物的熱量以及人員進出導致的開門冷損失是冷負荷最為重要的兩項組成[2]，其中開門裝卸貨物、進出頻繁，都會產生強烈的熱質交換。冷庫內部冷量流出，熱空氣侵入，導致內外熱量交換，冷庫內部溫度上升，影響貨物儲存的同時，也造成能源的浪費。因此，在實際運行過程中，為了降低庫門內外的熱質交換，通常會在冷庫門外側設置軟門簾，通過形成屏障，阻隔冷庫內外由于壓力差導致的熱質交換，降低冷量的損耗，同時可以起維持庫溫的作用，進而減少冷風機的融霜能耗，達到節能的效果。

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）常用于流體的流動和傳熱模擬，具有反饋速度快、無設備損耗、成本低等特點，在工程仿真中占據重要地位[3]，通過控制輸入條件得到相對真實的氣流組織特性。

空氣幕和軟門簾作為冷庫門隔熱的兩種措施，應用廣泛。楊彥賓[4]針對“熱壓和風壓作用下，通過冷庫門的熱質交換”進行數值模擬，得到當室外風速小于2.2 m/s時，室外風速對庫內流場的影響較小，為冷庫設穿堂以降低熱對流提供了可行性分析。南曉紅等[5]進一步通過數值模擬預測了冷庫門和空氣幕同時開啟60 s內，冷庫的溫度場和氣流場變化，驗證了“對于某個具體的冷庫，存在最優的空氣幕出口射流速度和最優的噴射角度，使得冷庫門空氣幕的性能最優、效率最大”的結論，肯定了空氣幕冷庫門短期開啟時的作用。然而南曉紅的研究均是針對空氣幕的性能作分析，并未將軟門簾的實際作用進行量化，且數值模擬和實際測量的時長均為冷庫門開啟1 min，整個分析建立在制冷系統穩定運行，未考慮人員因素和冷風機化霜[6]切換。但在工程應用的實際使用需求中，在無大量裝卸貨物操作時，人員進出取貨的時長通常為1～2 min，如果需要卸貨、理貨，耗費時長為15～20 min。

本文將從長時間理貨的缺漏入手，通過計算流體力學，對實際冷庫進行數值模擬，預測在冷庫開門耗時較長（裝卸貨與理貨操作總時長為30 min）時，軟門簾對庫門下冷熱對流的屏蔽效果，從而分析軟門簾在冷庫使用過程中的保冷作用，并進一步模擬貨物的內部溫度，確定操作過程中貨物的實際溫度是否始終處于適宜溫度段。本次貨物排布采用對稱形式，送風方式采用上送側回的氣流組織[7]形式，根據實際測量，對比數值模擬與實際工程的偏差，在冷庫使用過程中，合理控制裝卸貨操作時長，實時監控庫內環境[8]，為確保貨物始終處于最佳儲存環境提供借鑒。

1 數值模擬

1.1 物理模型

本次研究對象尺寸為4.0 m×5.5 m×2.5 m（長×寬×高）的（5±0.5）℃中溫儲存庫，采用低溫空調箱送風至冷庫頂部夾層，形成靜壓箱，夾層底部均勻設置8個風量為450 m3/h的頂送方形送風口，1.5 ℃的低溫氣流經由送風口擴散至冷庫內，最大凈冷卻能力為6 kW，考慮醫藥冷庫的氣流場均勻性[9]和潔凈度控制[10]，本次設計采用回風夾墻，在南側設置低位回風墻，回風量為3 400 m3/h。冷庫內部均布6桶貨物，貨物的初始溫度為25 ℃，冷庫的西側擱架靠墻布置，庫頂設置6臺40 W照明燈具，軟門簾安裝在冷庫（1 500 mm×2 100 mm）外側上方，保溫材料采用100 mm厚聚氯乙烯夾芯保溫板，冷庫庫門連接緩沖間，緩沖間溫度為26 ℃。根據以上條件對冷庫物理模型進行網格劃分，共計生成8 188 373個網格。

1.2 數值模型

本次研究以上海某醫藥冷庫為模型，并在冷庫內堆放桶裝藥品模擬實際冷庫的運行過程，由于冷庫空間為強制冷空氣循環對流熱交換，雷諾數在106以上，屬于典型的湍流模型。因此結合假設條件，用軟件Fluent求解器，采用的模型為兩方程模型中的標準k-ε模型[11]。建立穩態模型，并模擬出冷庫開門前后庫內氣流分布以及冷庫門周邊的空氣流場變化規律，為接下來對比軟門簾的作用提供基礎。

k-ε模型是目前使用最為廣泛的一種湍流模型，表示湍流耗散率[12]的ε和湍動能k被定義為：

式中，μ、v、w分別為流體在x、y、z軸方向上的速度，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

k和ε在標準k-ε模型中是兩個基本的未知量，本文研究的冷庫氣體為不可壓縮流動，在直角坐標系下，聯立連續性方程、動量方程和k-ε方程以及能量方程作為計算方程組[13]。

微分方程組的通用形式：

式中，φ為通用變量，在運算過程中代表相應的物理量，如溫度（K）、湍動能（J）與耗散率等；v為各個方向的速度，m/s；Γ為與φ相對應的廣義擴散系數；S為與φ相對應的廣義源項，kg/(s3·m)；ρ為流體密度，kg/m3；τ為時間，s。

在本文的具體研究中，為了簡化冷庫門內外的溫度場和速度場計算，按照以下邊界條件進行：1）設冷庫內空氣為不可壓縮流體；2）冷庫中貨物初始溫度為298 K，比熱容為4.18×103J/(kg·K)，貨物支撐架對流場的影響很小，可以忽略不計；3）冷庫保溫圍護結構按第三類邊界調節設定，速度情況設定為無滑移，壁面各方向速度均為0，設初始時刻冷庫保溫結構外側溫度為298 K，冷庫保溫板導熱系數為0.407 W/(m2·K)，由于壁面處風速低，設為自然對流，對流換熱表面傳熱系數為8.136 W/(m2·K)；4）冷庫門內外邊界調節設定中，軟門簾與冷庫門均關閉時，將冷庫門設為冷庫壁面，邊界條件等同圍護結構，滲透量忽略不計。

在冷庫門開啟，軟門簾關閉的過程步驟中，通過軟門簾的滲透熱負荷為：

式中，q為通過敞開門的負荷，W。

式中，Dt為敞開門時間因子，取值為1；Df為門口流量系數，取值為1；E為有效系數，取值為0.85；g為重力加速度，m/s2；H為室內高度，m。

軟門簾與冷庫門全部打開時，冷庫門內外進行自然對流換熱，由于冷庫門內外冷風滲透有五種計算方法，本次根據參考文獻[14]的經驗公式，設定冷風滲透率為1.88 m3/s，庫外溫度為298 K，風速為1.5 m/s。

2 實驗測量

為了驗證實驗的真實結果，并驗證數值模擬的可靠性，對當前冷庫的流場進行測量，為了更好驗證實際情況，貨物采用同溫度的乙二醇/DI溶液進行替代，對比空庫測量，更具有真實性[15]。

在冷庫測溫過程中，如采用冷風機送風，則需單獨在冷風機側布置測點[16]。考慮冷風機側易造成局部溫升，本次設計采用高效風口送風，無冷風機吊裝，避免了冷風機周圍產生局部溫升，因此無需額外在送風周圍單獨設置測點，在冷庫內分3個高度均勻布置測點如圖1，每個水平高度上均勻布置6個測點，共18個測點。本次實際測量采用熱電偶測溫，測點主要布置在貨物周圍、庫門以及冷庫正中心位置。記錄時間間隔為10 s，將校準后的溫度探頭分別放置在圖1中的詳細位置，并記錄編號。在庫內溫度達到穩態后，裝載順序為：0～120 s冷庫門、軟門簾同時開啟，運載工具載入庫；120～1 750 s冷庫門開啟、軟門簾關閉，一名操作人員進出理貨；30 s后軟門簾打開，運載工具撤出。根據以上步驟，在庫內進行多點溫度測量，并分別記錄實驗數據。實驗結束后，關閉冷庫門，使冷庫內部重新達到穩態，并記錄庫內重新到達設定溫度的時間。

圖1 冷庫內測點布點圖

3 結果與分析

由于難以描述整個操作時間段（30 min）內，每時每刻每個測點的溫度場分布，本次研究先根據CFD得到冷庫內平均溫度曲線[17]，然后針對特殊時間節點做詳細的流場描述。

圖2所示為冷庫內平均溫度與貨物內部隨時間的變化。由圖2可知，庫內最高溫度在冷庫門與軟門簾全部開啟的最終時間點120 s處，此時庫內平均溫度為16.1 ℃。伴隨軟門簾的關閉，冷庫溫度在制冷系統的運行下逐漸降低，前230 s內溫度急劇下降至6 ℃左右，隨后至理貨完成后有0.2 ℃的波動。運載工具撤離的30 s，由于軟門簾重新打開，溫度開始上升，低于運載工具進入的120 s時段，撤離完成關閉冷庫門，80 s后平均溫度重新達到冷庫設計溫度。因此文后研究了在穩態工況下，120 s時刻、1 750 s和撤離關門后80 s這3個時刻的溫度場。為了便于比較，本次分析取Z為0.50、1.70和2.20 m這3個典型的水平切面，對其溫度場分布和流向進行觀察，以方便模擬值與實測值進行對比。

圖2 冷庫內平均溫度與貨物內部隨時間的變化

3.1 穩態時冷庫內氣流場

圖3所示為冷庫在運行達到穩態時的空氣流場和溫度分布。根據模擬結果所示：在3個高度的水平切面上，由于貨物的擺放形式和送風口的分布都是均勻且對稱的，空氣流向和溫度場在水平面上得到較為相似氣流場。模擬值與實際測量值作比較：Z=1.7 m的水平切面位于貨物上方，由于貨物為比熱容較大的液態，溫度變化具有滯后性，在貼近貨物的位置仍具有少量散熱，局部溫度有所升高。同時，10測點處貼近兩側壁面，且距離回風口最遠，受壁面擾流的影響，導致熱量交換不充分，有局部溫升（Δt=5.3 ℃）。隨著Z值增大，分析切面高度上升，與熱源（貨物）的距離也逐漸增加，但與燈具（熱源）的高度差減小，兩熱源共同作用下，水平方向溫度略有升高，但各測點溫度均低于5.5 ℃。

圖3 冷庫內溫度模擬值與實驗值的對比

本次針對穩態氣流場的模擬，主要目的是為下一步的模擬非穩態提供基礎，同時也方便將頂送風與側送的貼附射流方式做對比。根據繆晨等[18]對貼附射流的模擬結果，貼附射流降溫快，設備安裝方便，適合溫度精度要求不嚴苛的冷庫，缺點是高速噴出的氣流，在抵達對面墻壁后四散開來，易在冷風機和貨物周邊形成渦旋，導致中心形成送風死角，進而造成貨物上下氣流不通暢，降低傳熱效率，干擾整個冷庫的局部流場。而頂送可以實現對庫內貨物的均勻送風，并且可以根據具體需求，局部調整送風量，有利于形成均布的溫度場，不易形成送風死角。因而在設計制冷系統的送風方式時，可以根據工藝需求，選擇合適的氣流組織形式。

3.2 冷庫門與軟門簾同時打開時，非穩態溫度場模擬與驗證

在冷庫內部氣流場達到穩態后，進一步開啟冷庫門以及軟門簾，進行人員裝卸操作，通過計算流體力學模擬結果，120 s時刻的冷庫門下熱質交換過程見圖4，分析開門時熱對流的規律。

圖4 冷庫門、軟門簾全部開啟時，熱質交換過程

冷庫門開啟時，由于冷庫內外空氣的密度不同，空氣之間形成壓力差，外界的熱空氣貼門上部滲入冷庫，庫內冷空氣從底部滲出，在自然對流的作用下進行熱質交換，隨著傳質流動的進一步加劇，庫內豎直方向逐漸出現冷熱分層，冷庫門在垂直方向形成3個明顯的溫度段：頂部的熱空氣、底部的沉降的冷空氣及中間換熱后的中溫氣流，與常規理論計算[19]基本保持一致。

穿堂的熱空氣從頂部進入冷庫后，庫內頂部溫度升高迅速，高溫區域逐漸擴大，冷庫內部溫度逐漸升高，并在120 s時刻達到最高溫度，在Z=2.2 m水平切面，模擬值最高溫度為23.8 ℃，實測點最高溫度為22.4 ℃。

庫內溫度模擬與實測點作比較圖6，變化趨勢基本趨于一致，模擬值整體略高于實測值，18個測點的實驗值與模擬值的絕對誤差基本保持在3 ℃以內。根據圖6的曲線走向，在溫度為10、14和21 ℃時，有3個明顯的水平走向分別對應了測點的3個水平切面，直觀表現了短時開啟冷庫門的過程中，溫度場還未達到穩態時，庫內上中下溫度分層的特點，豎向溫升達13.4 ℃。為了進一步模擬貨物內部的溫度，研究冷庫內溫度對貨物溫度的作用，在模擬冷庫庫溫的前提下，模擬此時傳感器在浸入乙二醇/DI溶液的貨物內部的溫度為5.9 ℃，實測貨物溫度為5.8 ℃。

圖5 軟門簾開啟時水平面溫度場

圖6 冷庫內溫度模擬值與實驗值的比較

3.3 軟門簾關閉后非穩態流場模擬與驗證

冷庫門保持開啟，軟門簾關閉，工作人員進行理貨操作，由圖2整個流場的平均溫度走向可以發現，軟門簾關閉初期，在軟門簾的屏蔽作用和制冷系統降溫作用下，庫內溫度下降速度極快，隨著軟門簾關閉時間的推移，240 s后庫內溫度逐漸趨于穩定。由于圖2顯示的此過程平均溫度有輕微波動，實測點的溫度值將取680 s后的平均值，結果如圖7和圖8所示。

圖7 軟門簾關閉時水平面溫度場

圖8 冷庫內溫度模擬值與實驗值的比較

從Z=2.2 m的水平面觀測，軟門簾的安裝極大隔絕了庫內外冷熱氣流的熱質交換，圖4中頂部高溫主氣流已經消失，換熱以門簾縫隙的滲透為主。相對于無軟門簾時中間主流通到的侵入，軟門簾關閉后，熱空氣主要通過滲透，大大降低了內外熱質交換效率。冷庫門開啟后，庫外熱空氣貼頂滲透[20]進冷庫內，靠近庫門一側溫度上升快，遠離冷庫門的一側溫度上升慢，由于軟門簾的屏蔽作用，同一高度水平面上，溫升明顯減小。在冷庫底部，由于冷熱空氣的密度差，冷空氣始終沉降在底部，給貨物提供了一個相對適宜的溫度，平均溫度為8.5 ℃。

庫門保持開啟，軟門簾關閉20 min，從垂直方向觀察，軟門簾未開啟時，庫內最高溫度位于冷庫庫門的頂端，即庫門開啟、熱空氣入侵造成冷庫門測溫度急劇上升，接近于室外溫度；當軟門簾開啟時，庫內最低溫度受送風口溫度的影響位于散流器出口，庫內最高溫度為6.5 ℃，位于墻壁邊緣產生渦旋的位置，由于壁面擾流，前期形成的熱空氣在墻邊緣位置停滯，難以回流至回風口，形成局部換熱不均[21]。此時浸入乙二醇/DI溶液的貨物內部的溫度計度數為5.9 ℃，由于120 s后貨物始終為吸熱狀態，故此時溫升的0.8 ℃，為整個理貨過程的最高溫升。即在安裝軟門簾的冷庫裝卸貨物，冷庫開門對貨物儲存的短時影響相對較小，不會直接造成貨物溫度急劇上升，對藥物的儲存具有參考意義。

根據模擬結果如圖2所示，人員撤出，冷庫門關閉60 s后，平均溫度重新達到5 ℃。因此，實際測量門關閉60 s后各測點的溫度值，數據如圖9所示，此時貨物內部實際溫度也達到穩態，為6.1 ℃。

圖9 冷庫內各測點溫度實驗值

4 結論

本文采用CFD模擬軟件對實驗冷庫的理貨過程進行了非穩態模擬，以冷庫運行模擬結果為非穩態模擬的初始條件，預測了在裝卸理貨過程中，冷庫溫度場和氣流場的變化，預測并驗證了軟門簾在整個過程中的保冷作用，得出如下結論：

1）冷庫門開啟時，由于冷庫內外空氣的密度不同，空氣之間形成壓力差，外界的熱空氣貼門上部滲入冷庫，庫內冷空氣從底部滲出，豎直方向有冷熱分層；

2）冷庫門保持開啟，軟門簾關閉后的5 min，冷庫內平均溫度基本可達6 ℃，證明軟門簾在屏蔽冷熱對流具有極大作用；

3）從穩態開始，整個裝卸及理貨過程，時間長達30 min，冷庫內貨物實際溫度最高為6.1 ℃，整個裝卸過程，軟門簾和制冷系統充分圍護了貨物的儲存環境，保證了貨物的質量。