上吹浮-下射流交替送風冷凍魚數值分析

◎ 諶文輝，趙日晶，黃 東

（西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710000）

隨著生活水平的提高，人們對食品品質的追求越來越高。速凍技術是保存新鮮食品的關鍵之一[1]，能最大程度保留食品的營養與風味，并延長食品貯藏期。食品速凍技術是通過低溫環境使食品在最短時間內通過最大冰晶生成帶（-5～-1 ℃），并且使食品中心溫度迅速降至-18 ℃以下[2]，速凍設備因此受到廣泛開發和利用。

沖擊式速凍技術利用高速射流沖擊食品表面，提高食品與冷凍環境的傳熱性能，減少食品凍結時間，在最大程度上保證食品的品質[3-4]。NADERIPOUR等[4]研究了沖擊式射流方式在不同角度下水平圓柱物體傳熱效果，研究表明當氣流垂直沖擊圓柱物體時，其表面局部努塞爾數（Nu數）可以達到峰值，且較射流水平沖擊圓柱物體而言，垂直沖擊方式可以提高圓柱物體表面的平均Nu數10%～30%。其中，沖擊式速凍設備的噴嘴結構是決定凍結區內流場的重要因素之一，影響著物體與周圍環境的傳熱。楊大章等[5]設計了5種不同形式的條縫噴口，分別對5種噴口噴射氣流流動和換熱特性進行數值模擬，對比分析噴射區域的氣流組織，研究被沖擊的板帶表面的溫度場分布和Nu變化，結果表明組合式漸縮噴口（V型條縫噴嘴）的氣流組織最佳，噴口出口的流量最大。其中，與平直條縫孔板相比，V型條縫噴嘴沿橫流方向流體流動阻力更小，差異性較小，平均Nu數高，在鋼帶表面的換熱均勻性更強[6]。因此，V型條縫噴嘴冷凍效果最好。

王金鋒等[7]以沖擊式速凍機的V型條縫噴嘴為研究對象，研究不同切割比下，改變鋼帶與噴嘴出口間距與條縫寬度之比對速凍機凍結區域表面換熱特性的影響。舒志濤等[8]采用數值模擬結合實驗驗證的方法，分別從噴嘴出口風速、橫流方向風速以及Nu數3個方面研究了3種不同結構的V型條縫噴嘴對沖擊式速凍設備換熱的影響。

隧道式速凍機是一種沖擊式連續凍結裝置，其送風冷卻器及送風機一般置于輸送帶的上部或下部，冷風由輸送帶的上部或下部垂直吹送，風速多為3.5～5.0 m·s-1。

輸送帶分為網狀和帶狀，利用變速裝置調節速度來適應不同的凍結時間。隧道式速凍機不受食品形狀的限制，因其風速大、凍結速度快的特點被速凍食品企業而采用。段雪濤等[9]對隧道式速凍裝置進行介紹說明，指出該裝置大多使用軸流風機，風速大、凍結速度快；蒸發器的融霜采用熱氨和水同時進行，融霜時間短。樊艷等[10]對馬鈴薯條在隧道式速凍機內的速凍過程進行數值模擬，其中冷空氣在隧道內的流動采用側送側回的送回風方式。張亮等[11]對隧道式速凍裝置風場均衡性進行研究。SONGSAENG等[12]將隧道式速凍和平板緩慢冷凍進行對比，結果表明隧道式速凍對肌肉組織的破壞較小，但對粗蛋白、粗脂肪和水分等方面的影響并不顯著。

綜上所述，先前的研究多是在單側送風或者上下兩側同時送風的送風模式下，研究不同噴嘴類型及結構對于冷凍食品的降溫效果及均勻性，且冷凍食品多為蝦類。本文以隧道速凍機為研究對象，噴嘴類型選取冷凍效果最好的V型條縫噴嘴，送風模式設計為上吹浮-下射流交替送風，即頂部送風方式為下射流，底部送風方式為上吹浮，射流方式皆為垂直沖擊。在此基礎上，對4種交替周期下的交替送風工況以及單側送風、上下兩側同時送風工況進行數值模擬研究，對比分析交替送風模式的冷凍效果，并研究交替周期對于魚冷凍效果的規律，以尋求最優交替周期。

1 模型建立

1.1 物理模型

為簡化幾何模型，本次模擬只考慮隧道式速凍設備核心——上下兩側送風方式對魚凍結過程的影響，不考慮速凍機內部運轉情況，故只對單個魚體及其周圍流體區域進行建模。如圖1所示，對隧道式速凍機流場部分進行劃分微元，以單個魚體及其周圍流體空間為一個微元，以便于對上下送風交替模式進行研究。假設魚體的堆積較為寬松，魚體上表面與頂部送風口距離為128 mm，下表面緊貼底部送風口，魚頭與左側空間間隔80 mm，魚尾與右側空間間隔80 mm，魚身與前后兩側的間隔均為32 mm。圖2為魚體結構尺寸示意圖，通過實物測量，給定魚頭、魚身、魚尾等各部位尺寸。

圖1 單個魚體及其周圍流體區域模型圖

圖2 魚體結構尺寸圖

1.2 數學模型

為簡化數值模型，對模型提出一些假設：①魚的初始溫度均勻一致，且送風溫度保持不變。②計算域中的流體視為牛頓流體，計算符合Boussinesq假設，忽略黏性耗散項，認為流體密度只隨溫度變化，除密度之外的其他物性為常數。③湍流流動符合k-ε湍流模型。④魚的內部只靠導熱進行熱傳遞，且魚表面對流換熱系數保持不變。⑤整個凍結過程，魚的物性保持不變。

根據假設，計算域內的流場溫度場以及濃度場的計算需要用到質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

X方向：

Y方向：

Z方向：

能量守恒方程：

k-ε方程：

其中：

上述方程中引入c1、c2、cμ3個系數以及σT、σk、σε3個常數一般取經驗值，如表1。

表1 控制方程中各經驗參數取值表

1.3 計算參數的設置

從文獻中查閱魚體的相關物性，定壓比熱容取 3.66 kJ·kg-1，導 熱 系 數 為0.49 W·m-1·K-1，密 度 為 1 006 kg·m-3[13]。基于市場調研和文獻整理得到較優的風速/溫度組合[14]，將上吹浮風速設定為5 m·s-1， 下射流溫度設定為10 m·s-1，送風溫度取-30 ℃，魚的初始溫度取20 ℃，四周壁面均設為絕熱邊界條件。由于該模型較為簡單，網格數為21萬，且網格最大傾斜度為0.7，質量較好。湍流模型選擇為k-εstandard，method選擇為SIMPLE、一階迎風。能量方程收斂精度設置為10×10-6，其他方程收斂精度為10×10-3，瞬態模型時間步長為5 s。

基于該送風參數，對典型漁獲物的交替送風冷凍過程進行多工況數值研究，按交替周期不同分為4種工況，分別為1.0 min、2.5 min、4.0 min和5.0 min。并且與單側送風、上下同時送風進行對比。其中，單側送風工況總送風時長為10.0 min，而上下同時送風與各交替送風工況的總送風時長皆為20.0 min，以便客觀地比較不同送風方式對魚的降溫效果與均勻性。

2 結果與分析

對魚體在上述模型下的冷凍過程進行數值仿真，送風模式分別取單側送風、上下同時送風（對沖）、上下交替送風（1.0 min、2.5 min、4.0 min和5.0 min交替周期），共6種送風工況。在上述送風模式下，魚體中心截面的溫度云圖如圖3～8所示。其中，為方便比較各送風工況下的魚體冷凍效果，在相同魚體中心位置計算其溫度，該位置如圖中球標所示。

圖3 上側單獨送風10 min魚體溫度變化圖

圖5 上下交替送風20 min魚體溫度變化 （5.0 min交替周期）圖

圖6 上下交替送風20 min魚體溫度變化（4.0 min交替周期）圖

圖7 上下交替送風20 min魚體溫度變化（2.5 min交替周期）圖

圖8 上下交替送風20 min魚體溫度變化（1.0 min交替周期）圖

對比圖3～8中魚體溫度云圖可知：上下兩側交替送風模式下，魚體豎直方向上的溫度均勻性總體最好，魚體的中心溫度點處于最內圈紅色區域的中心位置；單側送風時溫度均勻性次之；而兩側同時送風時，溫度均勻性反而最差，這可能是由于兩側同時送風模式下，上下兩股空氣在空間內形成對沖，上面的送風口離魚體較遠，能吹到魚體的流量較小，導致魚體上表面溫度整體較高。

如圖9所示，將圖3～8中所獲取的魚體中心位置處溫度和時間關系制成曲線圖，以對比送風模式對魚體凍速的影響。如1.3節所述，單側送風的總送風時長為10 min，兩側送風（同時或交替）均為20 min。

單側送風總體而言溫度最高（盡管單側送風10 min時，總風量比上、下交替送風10 min的總風量要大），由于單側送風魚體只能自上表面往下表面逐漸冷卻，下表面不能有效得到冷凍，整體溫度均勻性較差，冷凍效率較低；而兩側同時送風時，盡管風量實際是交替送風模式下的2倍，但冷凍至20 min時，魚體中心溫度僅比5.0 min和4.0 min交替周期下略低，比2.5 min和1.0 min交替周期下高。由于上下同時送風時，兩股氣流會在冷凍空間的中部對沖，自上往下流動的氣流不能有效達到魚體表面（而這股氣流的速度和流量反而較大），因此凍速反而降低。總體而言，交替送風模式更為有效和經濟。

對比不同送風周期下魚體的溫度變化，發現交替周期越小，魚體冷卻效果越好。5.0 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-3.530 ℃；4.0 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-4.663 ℃；2.5 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-7.357 ℃；1.0 min交替周期下，魚體中心溫度最終為-13.286 ℃。可見，隨交替周期減小，魚體中心溫度降低，并且降低速凍呈拋物線式，如圖10所示，故在制冷系統能效允許的范圍內，交替周期越小越好。

圖10 不同交替周期下魚體中心溫度最終值圖

3 結論

綜上分析，得出上下交替送風冷凍魚體的一般規律：①就魚體豎直方向上的溫度均勻性而言，上下兩側交替送風模式最好；單側送風次之；兩側同時送風最差。②就魚體冷凍效果而言，單側送風溫度最高，效果最差；兩側同時送風冷凍效果次之；交替送風效果最優，該送風模式更為有效，經濟效益最好。③隨交替周期減小，魚體中心溫度降低，并且降低速凍呈拋物線式，故在制冷系統能效允許的范圍內，交替周期越小越好。④因魚體緊貼隧道速凍機表面，離上送風口較遠，下送風口較近，因此下射流風速應適當高于上吹浮風速，具體數值有待試驗矯正。⑤魚體冷凍過程存在較大的溫度梯度，降低該溫度梯度的措施應該有助于降低魚體中心溫度，提高冷凍效果。