果蔬強制通風預冷過程中溫度場分布的分析

侯 幸，張文科，姚海清，羅南春，滿 意

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250100；2.山東中瑞新能源科技有限公司，山東 濟南 250100）

預冷是指果蔬采摘后快速將其溫度降低至貯藏溫度的過程，它可以迅速去除田間熱，抑制呼吸作用，保持水果新鮮度，延長貯藏期。在現代果蔬流通體系中，預冷對果蔬質量、安全以及降低貯藏的冷負荷起著重要作用，其已成為冷鏈中的關鍵環節之一，被公認為是果蔬在流通過程中的重要措施[1]。果蔬預冷的主要方式有真空預冷、冷水預冷、冰預冷和通風預冷等。其中強制通風預冷操作簡單、投資少，在產地預冷中得到了廣泛應用。

計算流體力學（Computational fluid dynamic，CFD）是建立在經典流體動力學與數值計算的基礎上，在時間和空間上定量描述流場的數值解，現已成為解決各種流體流動、傳熱與傳質問題的強有力工具。近年，CFD 數值模擬在冷藏庫及氣調庫流場分析中應用愈加廣泛。但研究多集中于冷庫內氣流速度場和溫度場。田甜等[2]以冷庫為研究對象建立三維模型，研究了冷風機位于不同位置時溫度場和速度場的分布情況；楊昭等[3]建立了保鮮庫的三維非穩態流場模型，在全頂棚孔板送風模式下對保鮮庫內流場進行CFD 模擬，分析了空庫和庫內貯藏蘋果時的流場分布情況，通過試驗和模型對比驗證得出最佳氣流的組織形式；Nahor 等[4]利用CFD 軟件對蘋果冷藏庫的空氣流動及氣流分布進行了數值模擬研究，該研究開發了一種通用工具來分析蘋果冷藏庫中的溫度控制；劉澤勤等[5]以微型輕便式節能型果蔬冷藏庫為研究對象，探討了3種送風方式對果蔬冷庫溫度場的影響，結果表明，在側中送風方式下，果蔬表面溫度場和相對濕度場均較均勻，冷空氣與果蔬換熱效果最理想。在果蔬預冷方面：郭亞麗等[6]、楊洲等[7]、陳秀勤等[8]、Ferrua 等[9]采用標準k－ε 模型和壓力耦合方程組半隱式（Simple）算法，利用CFD 軟件對果蔬壓差預冷外包裝箱內的氣體流場進行了模擬；楊磊等[10]以空庫的預冷過程為對象進行研究，采用k-ε 紊流模型和非穩態求解方法，對冷藏庫空庫預冷降溫過程進行了二維非穩態數值計算，得到了不同時刻的溫度場分布；姜莎等[11]通過試驗研究真空預冷對草莓內部溫度變化及失水情況的影響，以尋求最佳的真空壓力；王軍艷等[12]以黃瓜為研究對象，通過仿真模擬，研究了壓差預冷過程中黃瓜的擺放方式對預冷均勻性及預冷時間的影響；王強等[13]根據壓差預冷遠離搭建了試驗臺，研究了不同開孔方式、不同壓差下的葡萄冷卻速度，結果表明開孔大小對葡萄的冷卻速度起著關鍵作用。

目前，果蔬預冷方面已有的研究主要集中于壓差預冷，分析包裝箱、開孔方式、送風參數對其流場的影響。而作為產地預冷廣泛應用的冷風機強制通風預冷研究相對較少。本研究以冷風機運行參數為出發點，通過改變冷風機的送風速度、溫度，分析預冷過程中不同因素作用下庫內氣體區及貨物區溫度隨時間的分布規律，從而優化庫內氣流組織，使庫內空氣的氣流組織更好地滿足果蔬貯藏條件的要求，得到較佳的冷風機運行參數和運行模式，并準確預測出冷庫預冷過程的溫度分布特性，對果蔬貯藏保鮮和優化設計有指導性意義。

1 模型的建立

1.1 物理模型

以100 t 氣調庫作為研究對象，氣調庫尺寸為12 m×10 m×4.5 m，冷風機采用吊頂式，出風口尺寸為2×Φ450 mm，風量為2×4800 m3/h，功率為2×250 W。庫內貨物為熱物性參數類似的球形果蔬，果蔬堆積高度為3.8 m，果蔬區距墻0.5 m，中間通道1 m，三維物理模型如圖1 所示。果蔬可看作為多孔介質，由于包裝木箱的存在，果蔬內部流動風速較小，可近似認為果蔬區風速為0.1 m/s[14]。

圖1 預冷庫物理模型Fig.1 Physical model of precooling cold storage

1.2 數學模型

在預冷過程中，氣體區和果蔬區的流動特性和傳熱傳質特性不同。氣體區在冷風機的作用下處于紊流運動狀態，以對流換熱為主，而果蔬區內部流速非常小，熱量傳遞以導熱為主，故在建立數學模型時，有必要分別對氣體區和果蔬區建立數學模型。

1.2.1 氣體區數學模型

為了簡化研究，方便計算，對模型作以下假設：①庫內氣體為牛頓流體且不可壓縮；②氣體物性參數為常數；③庫外溫度保持穩定，圍護結構引起的熱質損失可以忽略不計；④氣體在內壁面上無滑移。

冷庫內采用冷風機強制循環，屬于有限空間的強制對流，流場雷諾數Re 約為106數量級，處于紊流狀態[15]。根據以上假設，庫內流場可簡化為三維、穩態、不可壓縮、黏性的紊流狀態，選擇k-ε 紊流模型，在直角坐標系下，聯立連續性方程、動量方程及能量方程。用φ 表示通量，上述控制方程可以表示如下[16]：

式中：ρ 為密度，kg/m3；t 為時間，s；V 為速度矢量，m/s；φ 為通用變量；Γ 為與φ 對應的廣義擴散系數；S 為與φ 對應的廣義源項。控制方程從左到右依次為時瞬態項、對流項、擴散項和源項。不同控制方程的變量、擴散系數及源項對應關系見表1。

表1 不同控制方程的變量、擴散系數及源項Table 1 Variables,diffusion coefficients and source terms of different governing equations

1.2.2 貨物區數學模型

庫內堆放的球形果蔬為固體顆粒，可視作多孔介質，果蔬間隙的氣體為多孔介質中的流體。這里假設：①果蔬大小各向同性；②預冷過程中，果蔬及間隙氣體的熱物性為常數；③忽略輻射傳熱。

引入多孔介質模型，在動量方程中源項Si[17]表示如下：

其中：Si為第i 個動量方程中的源項；Dij為流體黏性阻力系數；Cij為流體慣性阻力系數；μ 為流體黏度，N。

1.3 條件設定

相應的邊界、壁面及初始條件設定情況如下：

入口邊界：冷風機出口設置為速度出口（Velocity-Inlet）邊界條件；送風速度分別設置為2、3、4 m/s；溫度設定為0 ℃；選擇紊流強度和水利直徑定義紊流，紊流強度為5%。

出口邊界：定義出口邊界為自由出流（Outflow）。Outflow 用于模擬在求解前流速和壓力未知的出口邊界，且在該邊界不需定義任何內容[18]。

壁面條件：采用無滑移邊界。

初始條件：氣體區初始溫度設定為13 ℃；果蔬區孔隙率通過計算[17]結果為0.47；溫度設定為15 ℃。

2 數值模擬結果與分析

2.1 溫度場分布特性

為了清晰直觀地研究庫內溫度場分布特性，工況設置為：送風溫度0 ℃，送風速度3 m/s。選取3 個代表性的截面（圖2）。從圖2A 冷風機出口中心截面可以看出，由于冷風機的送風作用，且送風溫度為0 ℃，其出口前方溫度最低，高溫區域出現在靠近冷風機下部的果蔬區，這是由于沿著送風口氣流流動的方向，冷風機吹出來的冷風不斷地帶走果蔬呼吸產生的熱量，而靠近冷風機的區域屬于回流區，聚集較多熱量，溫度相對較高。

圖2B～2C 為果蔬區不同堆積高度截面，可以看出，溫度較高的區域（高溫區）出現在靠近冷風機下側的果蔬區，而且高溫區的面積大小隨著果蔬堆積高度（Z 方向）的增加而減小，這是因為氣流貼著貨物頂端流動，隨著高度的增加，越靠近冷風機出口，氣體流速越大、溫度越低，對流換熱的效果越好。此外，庫內氣體區溫度明顯低于果蔬區溫度，主要原因是庫內氣體是通過對流換熱方式進行熱量交換，果蔬區的氣體流速很小，靠導熱進行熱量傳遞，故溫度下降比氣體區慢。

圖2 庫內不同截面溫度分布等值線云圖Fig.2 Cloud diagram of different cross section temperature distribution in cold storage

2.2 送風速度對溫度場的影響

以模擬運行18 h 為節點，探討送風速度對庫內溫度場分布的影響，需遵循以下條件：設定送風方式和送風溫度為定值；內部果蔬孔隙率、堆放方式、初始溫度不變，通過改變冷風機的送風速度，研究溫度場的分布情況。本次模擬速度工況為：2、3、4 m/s。圖3～4 為截面Y=2.5 m（X-Z 平面）及Z=3 m（X-Y 平面）在不同送風速度下的溫度分布云圖，其可以直觀反映果蔬區內部截面的溫度分布。

由圖3～4 可知，果蔬內部溫度下降與風速成正比，但是明顯可以看出不同風速下的截面溫度分布有一個共同點：高溫區集中在靠近冷風機下部的果蔬堆放區，原因見“2.1 溫度場分布特性”。

圖3 Y=2.5 m 庫內截面溫度分布等值線云圖Fig.3 Cloud diagram of temperature distribution at Y=2.5 m section in cold storage

2.3 氣流組織方式對溫度場的影響

氣流組織方式，是在空調房間內合理地布置送風口和回風口，使凈化和熱濕處理過的空氣由送風口送入室內后，在與室內空氣擴散與混合的過程中，均勻地消除室內余熱和余濕，從而使工作區形成比較均勻且穩定的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度，滿足生產工藝和人體舒適的要求[19]。與一般的空調工程相似，預冷過程的主要目的也是對庫內溫度、濕度、風速等進行調節和控制，所以合理的氣流組織形式非常重要。以模擬運行18 h 為節點，利用CFD 軟件，在其他參數相同的條件下，對庫內采用上送上回、上送下回兩種氣流組織方式進行數值模擬，比較分析不同氣流組織方式對溫度場分布的影響。選取代表性截面Y=5 m（X-Z 平面）及Z=3 m（X-Y 平面）進行分析。圖5～6 為Y=5 m 截面的速度矢量圖和速度分布云圖。

圖4 Z=3 m 庫內截面溫度分布等值線云圖Fig.4 Cloud diagram of temperature distribution at Z=3 m section in cold storage

由圖5～6 可知，冷風機將冷風以較高的速度送出，受到頂板、側壁的限制，射流將迅速地由自由射流發展成為受限射流[20]，射流沿途貼附頂板前進并卷吸周圍的空氣使其速度逐漸減小，由于到達對向墻壁后受到墻壁阻擋及回流作用的影響，接近地板時向回風方向運動，在送風與回風兩個相反運動的作用下，中部區域形成旋流區，離旋流中心越近，速度越小。由圖6A 可以看出，位于冷風機下方的近地面區域，速度較小，正因為如此，下部區域聚集的熱量不能及時排出，會出現“2.1 溫度場分布特性”提到的高溫區。

圖5 Y=5 m 截面速度矢量圖Fig.5 Velocity vector plot at Y=5 m section

圖6 Y=5 m 截面速度分布云圖Fig.6 Velocity distribution cloud plot at Y=5 m section

由圖7 可知，同樣預冷時間下，上送上回方式比上送下回方式降溫程度高，尤其在冷風機下側高溫區溫差為3～4 ℃。預冷的均勻性直接影響預冷效率以及果蔬貯藏品質，預冷均勻性差容易導致果蔬出現凍害[17]。上送上回方式預冷不均勻性較為明顯，遠離冷風機側的果蔬堆積區溫度已經接近要求溫度，而冷風機下側堆積區溫度仍然較高，與上送下回方式相比，可能會出現冷風機下側果蔬堆積區未達到預冷溫度，而遠離冷風機的堆積區出現凍害的情況。

圖7 Z=3 m 截面溫度分布云圖Fig.7 Cloud diagram of temperature distribution at Z=3 m section

3 結論

以100 t 冷庫為研究對象，運用CFD 軟件對預冷降溫過程進行了仿真模擬，并考慮了送風速度、氣流組織方式對庫內溫度場的影響，分析了不同情況下庫內溫度場的分布情形，并得到以下結論：

（1）溫度分布特性：溫度較高區域出現在冷風機下側的果蔬堆積區，且高溫區的面積隨著高度（Z 方向）的增加而減小；靠近冷風機下側區域屬于回流區，不利于散熱，因此貨物擺放時，可以增加擺放間距或者避開回流區。

（2）冷風機送風速度對庫內溫度分布的影響：在其他參數相同的條件下，送風速度從2 m/s 增加到4 m/s時，氣體區和果蔬區的溫度分布愈趨向均勻化，溫度梯度逐漸減小，降溫效果明顯。但并不是送風速度越大越好，風速增加也會增大果蔬的干耗，應綜合考慮，尋求最佳冷風機吹風速度。

（3）氣流組織方式對溫度場的影響：上送上回比上送下回方式降溫幅度大，但預冷均勻性差。雖然兩種方式都出現了冷風機下側的高溫區，但上送下回方式因果蔬堆積區的溫差過大，在未達到預冷溫度標準時更容易出現果蔬凍害。