果品冷藏库气体流场模拟及实验研究

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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

2、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（putationalFluidDynamics，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CF

3、D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，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

4、，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，

5、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。2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4KPLE进行流场计算，收敛精度除能量方程为10-6外，其余方程都设置为10-3，

6、计算结果分析如下。由于计算结果的三维显示只能看到库壁面的参数分布情况，无法清晰显示库内尤其是货物附近的流场分布情况，因此本研究将在三维库中选择有代表性的切面，分析切面上的参数分布来进行研究。图1为经过某两个对称送风口的截面上的速度分布，两边无速度处为堆放的货物。由图可知，速度场以风道为中心呈对称分布，送风口处速度最大，由于货物阻隔，气流在货物处形成分流，分别向上和向下流动，并形成两个涡流区，涡流区内气体速度较小，然而由于货物未贮藏于涡流区,因此对于货物贮藏没有太大影响；货物区受到送风口气流直吹，冷却效果较好

7、；流场在库上部拐角处呈现速度减小的趋势，在速度矢量图中表现为速度的不连续，且存在小漩涡，这可用流量守恒定律解释（A1V1=A2V2）,因为拐角处流动截面积增大，使该处的流动速度减小而拐角处的小漩涡是由于壁面的阻碍扰流引起的。本研究的实验验证选取的是离地高1.1米的等高面，为便于进行实验与理论计算的比较,因此数值计算得到的温度场也用此等高面上的结果表示，见图2，由图可见，温度场呈现均匀化趋势，由于送风口在冷库中部往两边吹风，因此，此区域气体速度较高，温度比较低，并向两边逐渐上升；前文已提及货物区内气体流速为0

8、，加之内热源的作用，温度较高；在库体壁面上，由于流体在库体表面无滑移，加之外界热量的作用，其温度为整个流场最高处，壁面拐角处温度尤显高，是因为存在涡流，不利于散热。图3为送风口中心等高面上压力场的分布，中间的空区域为送风道，由图可知，送风口处，风速较大因此压力较大，到主流场，压力有所降低，再往两边，在主流区与货物区接界处，由于气体流动受到固体货物的阻扰，加剧了气体的扰动，因此压力也较大，到货物区，由上述气体速度为