Y型噴嘴間距對隧道式速凍機內部流場的影響分析

中圖分類號：TS203 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）14-0050-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.14.010

Impact Analysis of Y-Type Nozzle Spacing on the Internal Flow Field in Tunnel Freezers

ZHANG Dingchuan'ZOU Tonghua'LI Chenkai'SHEN Zhonggang2 （1.Tianjin Universityof Commerce，Tianjin 30o134， China; 2.Shandong Honor Refrigeration Technological Limited Company，Binzhou 25660o，China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the freezing efficiency of the freezer and the quality of the frozen products，as well as to determine the optimal nozzle arrangement，this study analyzes the influence of diferent Y-type nozze spacing on the internal flow field of the tunnel freezer.[Methods] By varying the spacing of the Y-type nozzles，the optimal nozzle arrangement was determined.Taking the Y-type nozzles with different spacings as the research subject，a physical model matching the actual setup was established，and simulations were conducted using the COMSOL software.[Findings] In this paper，Ytype nozzles with diferent spacing are set up respectively.The average outlet wind speed is about 17.3 m/s， and the fluctuation is within 0.2m/s . The simulation results showed consistent velocity variation trends along the jet direction for allfive models. However，appropriately increasing the nozzle spacing could reduce the ratio of crossflow width to the total length of three nozzles.[Conclusions] When the nozzle spacing increases from 93mm to 133mm ，the ratio of the crossflow width to the total length of the three nozzles decreases from O.55 to O.46， indicating improved heat transfer eficiency.This provides a reference for further optimizing the nozzle arrangement of the tunnel-type quick freezer. Keywords： tunnel-type quick freezer; air flow organization; nozzle spacing

0 引言

隨著科技與經濟的不斷發展，人們對食品品質的要求日益提升。宋曉燕等[1-2研究了真空冷卻技術對鮮切芒果冷凍貯藏品質的影響，并比較了不同冷卻方式對小塊水煮牛肉品質的影響。速凍技術作為保持食品新鮮的重要技術之一[3]，能夠極大程度地保留食物本身的風味和各種營養成分[4]。

速凍是起源于美國的一項快速凍結技術，為食品、醫療等行業帶來了便利5。速凍機是實現速凍技術的設備。目前，速凍機主要分為隧道式、流化床式、直接接觸式、噴淋式等4類，每一類因結構不同又可細分為不同小類[6-7]。在\"碳中和\"\"碳達峰”目標下[8]，如何對現有速凍設備進行性能上的優化，以達到更高效的速凍效果是近年來的研究熱點。例如，Ingole等發現高速空氣射流可以破壞食物表面圍繞的傳熱邊界層，有效減少凍結食物所需的時間。黃仲興[10]發現選用較大蒸發面積的冷風機和較大規格的冷卻塔，可以明顯提高速凍機組的制冷量。徐斌等\"研究了板帶式速凍機的流動通道高度、進口空氣流速和進口夾角等參數對速凍效率的影響。但是，目前關于速凍機噴嘴間距對速凍效率的影響研究尚顯不足。因此，本研究旨在對速凍機中不同間距的噴嘴產生的影響進行模擬研究。

Y型噴嘴是目前隧道式速凍機使用最多的噴嘴結構，其結合了漸縮型噴嘴和扁平條縫型噴嘴的優點，既可以有效提高出口風速，又可以增加流體流動的穩定性，使出口風速更加均勻。

而噴嘴之間的距離會對速凍機內部流場產生影響。若噴嘴間距過近，將減少單位時間內通過的凍品數量，從而降低速凍機的凍結能力。反之，若間距過大，將導致凍品與射流換熱時冷空氣的速度過低，換熱效率下降。因此，在保證凍品能順利通過的前提下，需要尋找噴嘴之間的最優間距，以便有效提高速凍機的凍結能力和換熱效率[12]

1物理模型

為便于研究，建立開口直徑為 78mm 的噴嘴模型，并設置不同的噴嘴間距（ 93mm，103mm，113mm.

123mm 和 133mm 進行數值模擬，分析出口風速、橫流長度及對流熱通量的變化規律。噴嘴結構如圖1所示。其中， D 為噴嘴的漸縮開口直徑， h_?1 為漸縮高度， h₂ 為延伸平行扁平高度， d 為噴嘴底部開口直徑， L 為噴嘴間距， h₃ 為射流方向的高度， H₂ 為噴嘴到傳送網帶之間的距離。

圖1噴嘴結構

速凍機物理模型如圖2所示，其長 11240mm ，寬 3250mm ，高 2770mm 。此外，速凍機進料口長1200mm ，出料口長 850mm ，傳送網帶有效寬度為1 500mm ，內部換熱長度為 11 040mm 。外圍圍護結構材料為聚氨酯

圖2速凍機物理模型

在假設每個噴嘴送風完全一致的前提下，本研究選取了3個噴嘴為研究對象。這些噴嘴均采用漸縮開口設計。隨后，改變噴嘴的間距并使用三維模型進行模擬，對位于中間的噴嘴進行分析。噴嘴結構參數見表1。

2數學模型

速凍機內部傳熱主要考慮熱對流和熱傳導兩種傳熱方式，模擬主要涉及的方程[13-15]如下。

① 質量守恒方程。假設模擬流體的流動為穩

表1不同間距模型結構參數

態，控制方程不包含時間項，同時流體為不可壓縮流體，質量守恒方程見式（1）。

式中： ρ 為流體密度， kg/m³;u 為流體流速， m/s 。

② 動量守恒方程。對于不可壓縮流體，黏性系數為常數時，動量方程見式（2）。

式中： ρ 為流體密度， kg/m³;η 為分子擴散所造成的動力黏性， 為流體的時均壓強， Pa

③ 能量守恒方程。不可壓縮流體在穩態時，能量守恒方程見式（3）。

式中： T 為溫度， K;c_p 為流體比熱容， J（kg?K） λ 為流體導熱系數， W/（m?K） S_T 為黏性耗散項，J。

3邊界條件設置及網格劃分

3.1邊界條件設置

使用COMSOL中固體和流體傳熱模塊計算對流熱通量，分別對流體域和固體域進行邊界條件設置。首先，設定流體域的初始溫度為293K，流體入口為靜壓腔整個上表面，入口壓力為 200Pa ，人口溫度為 238K 。其次，對固體域進行邊界條件的設置。假設凍品是均勻且光滑的平整物體，厚度為 30mm ，凍品密度為 961kg/m³ ，恒壓熱容為 4.2J/（kg?K） ，導熱系數為 0.56W/（m?K） 凍品的種類有很多，所以固體域邊界條件的數值使用豬肉的物性參數作為平均值進行計算。噴嘴出口位置流體為湍流狀態，所以使用 k-ω 湍流模型。

3.2 網格劃分

使用物理場控制網格，單元格采用常規大小，網格劃分如圖3所示。然而，模擬時發現運算不收斂。經過驗證，確認問題源于網格劃分不夠精細，不能支持連續的運算過程，導致無法得出計算結果，出現錯誤提示。為解決此問題，繼續細化網格。

細化后的網格數為2112873，比常規網格增加了532792個單元，同時運算時間也有所延長。

網格劃分結束后，為了驗證網格無關性[17]，采用物理場控制網格，單元格大小分別設置為細化，較細化、超細化。模擬后發現噴嘴的出口風速、壓力變化、對流熱通量趨勢基本相同，并且在數值上相差很小。因此，為了保證計算質量，并盡可能減少運算時間，模擬采用的單元格類型為細化。

圖3網格劃分

4建模驗證

在入口壓力相同的條件下，利用相同參數的物理模型，進行模擬仿真，并與實際測試結果進行對比。在平均風速方面，上排噴嘴的模擬結果為 15.5m/s ，試驗結果為 17.9m/s ；下排噴嘴的模擬結果為 6.9m/s ，試驗結果為 4.9m/s 。除人為的測量誤差外，導致上排噴嘴的模擬結果高于實際結果、下排噴嘴的實際結果高于模擬結果的原因主要有兩個：一是各個噴嘴連接處沒有完全密封，靜壓腔泄漏了一部分壓力；二是在模擬時，假設上下連接風道壁面為理想光滑壁面，而實際壁面存在摩擦阻力。仿真結果表明，使用COMSOL軟件對速凍機內部進行模擬優化具有較高的準確性，邊界條件和網格劃分方法可以為后續的研究提供參考。例如，速凍機長度方向上的速度變化如圖4所示，可以看出速度變化趨勢基本一致，并且誤差在 30% 內。

圖4速凍機長度方向上模擬結果與實際測試結果對比

5模擬結果與分析

5.1 出口風速

噴嘴間距對出口風速的影響不大。當噴嘴間距為 93mm 時，出口平均風速為 17.5m/s ；當噴嘴間距為 103mm 時，出口平均風速為 17.3m/s ;當噴嘴間距為 113mm 時，出口平均風速為 17.3m/s ；當噴嘴間距為 123mm 時，出口平均風速為 17.2m/s ；當噴嘴間距為 133mm 時，出口平均風速為 17.4m/s 。經分析，噴嘴間距的增大對出口風速的平均值影響較小，最大差異僅為 0.2m/s 。不同噴嘴間距下的出口風速情況如圖5所示。

圖5不同噴嘴間距下的出口風速變化情況

作為壓力入口，靜壓腔上表面壓力設置為200Pa 。出口風速只與噴嘴的漸縮開口大小和噴嘴底部開口大小有關，二者的比值越高則出口風速越大。在壁面附近出口風速較小，在速凍機中心處風速趨于穩定。基于以上5組模型的模擬結果，可以得出結論：出口風速的大小與噴嘴的排列間距無關。

5.2 射流方向上的速度變化

關于射流方向上的速度變化情況，5組模型的模擬結果和趨勢基本相同。以噴嘴間距為 93mm 的模型為例，其在射流方向上的風速變化情況如圖6所示。氣流從噴嘴噴出后，風速先增大后減小。噴嘴加速氣流主要基于伯努利定理和連續性方程。當流體通過漸縮型的流道時，動能轉化為壓力；進入扁平流道后，壓力繼續增大。當流體從噴嘴的出口流出，進入較為開闊的空間后，壓力再次轉化為動能，速度增大。隨后，速度分兩個階段減小，初始階段速度減小較為緩慢，當接近貨物表面時，風速急劇下降，接觸到貨物表面后，風速降至 0m/s ，流體的動能全部轉化為壓力[18-19]。風速從出口處的17.27m/s 增加到最大值 18.34m/s ，增幅為 1.07m/s 。不同的射流間距對射流方向上的速度變化影響較小，因此間距并非為射流方向速度變化的關鍵影響因素。

圖6噴嘴間距為 93mm 時射流方向上的風速變化情況

5.3 橫流位置變化

橫流是射流沖擊中的一種流動狀態，被定義為相鄰的射流由于在目標物附近對撞，流向發生偏移，由剛開始的平行于目標物流動改變為垂直于目標物流動[20]。橫流的流動示意見圖7。由于橫流速度方向垂直于凍品向上，當凍品連續通過橫流區域時，不產生對流換熱，換熱效率較低。

圖7射流橫流位置

5.4橫流寬度

為計算橫流的寬度，在速凍機模型寬度方向的中心即凍品附近沿著速凍機運行方向設定一條截線，如圖8所示。利用COMSOL軟件對該截線上速度分量在y方向上的數值進行計算，計算結果如圖9所示。圖中有3個向下的波動和2個向上的波動，并且向下的波動數值均小于0，向上的波動數值均大于0。這是由于射流方向為y軸的負向，3個向下的波動代表射流，2個向上的波動代表橫流。速度在 y 軸的分量為正的長度代表橫流的寬度。

圖8建立截線示意

圖9速度在y方向上的分量值

使用上述計算橫流寬度的方法，對不同射流間距模型的橫流寬度進行了計算，結果如圖10所示。隨著射流間距的增大，3個噴嘴的總長度增加，分別為 183.27mm.182.26mm.184.84mm.189.17mm 及 190.28mm ，并且每個模型比上一個模型的總長度增長 20mm 。橫流寬度隨總長度的增加而增加，但增幅不大。射流間距為 93mm 時，橫流寬度為183.27mm ；射流間距為 133mm 時，橫流寬度為190.28mm ，僅增長了 7.01mm ，而3個噴嘴模型的總長度增幅為 80mm 。射流間距是橫流寬度的重要影響因素。為了確保凍品在速凍機中盡可能少地停留在換熱區域較小的位置，橫流寬度應盡量減小。然而，由于射流間距增大橫流寬度必然增大，橫流寬度的大小不能單獨作為評判標準，需要引入橫流寬度和3個噴嘴的總長度之比S，模型J0至J4對應的比值分別用 S₀ 至 S₄ 表示。經計算， S₀ 為0.55，S_?1 為 0.51，S₂ 為 0.49，S₃ 為 0.48，S₄ 為 0.46 。指標s 總體呈下降趨勢，說明橫流寬度占整體總長度的比值越來越小，適當增加射流間距可以減小橫流寬度，提高換熱效率。因此，在速凍機生產過程中，可以根據實際生產需要適當延長速凍機的長度，在保證噴嘴數量不變的前提下，增加射流寬度。或者在保證速凍機長度不變的情況下，減少噴嘴數量，并且適當增加風機入口壓力，有效提高換熱效率。

圖10噴嘴間距對橫流寬度的影響情況

6結語

文章研究了噴嘴間距對流場的影響，分析了5組不同射流間距的模擬結果，得出如下結論。

① 射流間距對出口速度、速度在射流方向的變化和對流熱通量大小產生的影響較小。噴嘴間距由 93mm 增加至 133mm 時，風速均在 17.3m/s 左右，相差不大。

② 射流間距對橫流寬度產生顯著影響。射流間距越大，橫流寬度越大。通過計算發現，雖然橫流寬度增大了，但橫流寬度占總長度的比值在減小，因此只用橫流寬度衡量速凍機性能并不合理。

③ 引入橫流與總長度之比S作為衡量標準，射流間距越大， s 越小。試驗中， s 最低為0.46，較最高的0.55降低了約 16.36% ，說明換熱效率得到提升。

綜上所述，速凍機在生產時應該綜合考慮多種因素，包括噴嘴的結構、風機的入口壓力等，以確定適宜的射流間距。這樣可以提升凍結效率，保證凍品在速凍機內凍結速度均勻，提高凍品的凍結質量。

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（欄目編輯：文雯）