果品冷藏库气体流场模拟及实验研究.doc

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1、果品冷藏库气体流场模拟及实验研究摘要：合理的冷藏库气体流场，可以保证冷量的均匀分配，保证冷藏食品品质。近年来，计算流体力学（CFD）技术随着计算机科学和流体力学理论的发展而在工业各领域得到广泛使用。本文中，作者利用CFD技术对一实际水果冷藏库流场进行了数值模拟,并通过实验验证了模拟的可靠性。研究表明数值模拟在冷藏库流场优化设计中应用切实可行而且优势显著。关键词：计算流体力学冷藏库数值模拟实验验证1引言合理的冷藏库气体流场，可以保证冷量的均匀分配，节约能耗，降低干耗损失，提高货物质量。据调查，目前大多数冷藏库的气流组织欠合理，这是由于冷库大多是凭经验设计建造的。为了获取冷藏库

2、内流场的信息，传统的方法是进行实验测量或作流场可视化研究。这些做法在实际运用中都具有很大的局限性，使用成本也很高，而且也不可能获得整个流场内详尽的信息。计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）是在经典力学，数值计算方法和计算机技术基础上建立起来的新型学科。它通过建立数学物理模型，根据提供的边界条件和参数，可以对速度场、温度场、压力场等诸多物理量进行仿真模拟，从而提供流动区域内精细的流场、温度场，因而通过CFD研究可以更好地分析冷藏库内流体的流动情况。近年来，数值计算技术在食品、制冷等工程实际中得到了广泛的应用，并取得了相当满意的效果，

3、然而文献检索发现，将数值计算应用于冷库方面的研究却是很少。瞿晓华等人利用CFD技术对一小型装配式冷库流场进行数值模拟，分析了流场形态及各种设计参数对冷藏库内流场的影响。研究表明数值模拟在冷藏库流场优化设计中应用切实可行而且优势显著[1]；王剑锋等人对分别属于两个冷库的流场进行了二维模拟研究，并对气流组织进行了对比分析，指出冷库流场存在一个中心大回流，流场的主流有靠近边界流动的趋势，无论是水平还是垂直速度均呈现两边大、中间小的格局[2，3]；胡浩等人建立了水果气调库库内气体流动、传热和传质的非稳态数学模型，还根据水果的呼吸原理建立了货物区的传热、传质控制方程，采用SIMPLE

4、算法和整体求解的解法对水果气调库的降温、降氧等非稳态过程进行了数值模拟，但最后的计算没有作进一步的验证研究[4]。总之，数值计算在冷库中的应用不多，且基本上处于模型设计的阶段。本文对属于江浦冷冻厂的一个果品冷却物冷藏间进行了流场实测和数值模拟计算，其中模拟计算主要利用商用CFD软件FLUENT来得到三维流场结果，对模拟结果与实测值进行了比较，取得了较好的一致性，误差在允许范围内，表明了数值模拟在冷藏库气体流场设计中应用的可行性。通过本文的研究，期望对冷藏库的流场设计和改造具有一定的参考价值。122物理及数学模型2.1物理模型本文中所研究的冷库为上海市江浦冷冻厂的一个果品冷藏

5、库，该库的的内型尺寸为26.93m（长）×12.76m（宽）×3.8m（高），空气冷却器为两台LFF型8#轴流风机，每台风量33000m3/时，转速1450转/分，功率4KW，风机位于墙内，通过一均匀送风道将冷量送至冷库，该风道位于冷库中部，离地高1.96m，送风道高为44cm，两边对称各突出20个圆柱状送风口，冷库两边堆放货物，货物为苹果。本研究中为简化起见，将货物看成两贴壁的长方体，按照冷库内实际情况，设定每个长方体尺寸为26.93m（长）×3m（宽）×2.4m（高），冷库及货物堆放情况由如图1所示：图1冷库及货物堆放示意2.2数学模型为了取得数值模拟的结果，首先要建立

6、合适的描述冷藏库内流动换热的数学模型，先做如下假设：1）冷藏库内空气为不可压缩的理想气体；2）冷藏库内管道和铁架等支承物对流场没有影响；3）流场为不随时间变化的稳态流动。冷藏库为有限空间强制对流，流场Re约为106，处于紊流状态，结合上列假设，采用D.B.Spalding的紊流流场K-ε的数学模型[5]，在直角坐标系下，联立连续性方程，动量方程，K方程，ε方程及能量方程作为计算方程组，该方程组可以用下面的通用微分方程形式表示：式中：φ－通用变量；Г－与φ相对应的广义扩散系数；S－与φ相对应的广义源项。不同方程对应关系见表1。表1各控制方程变量、扩散系数及源项Table1Va

7、riables,diffusioncoefficientsandsourcetermsofeachgoverningequations方程φΓ12SX方向动量方程uη+ηtY方向动量方程Z方向动量方程vwη+ηtη+ηt紊流能量方程K紊流能量耗散方程ε能量方程T0表中：；K－ε模型中经验常数采用经典推荐值（见表2）。表2k－ε模型中的系数Table2Thecoefficientsink-εmodelCµC1C212σｋσεσＴ0.091.441.921.01.30.9～1.02.3边界条件本文采用的K－