小型冷库开关门过程的数值模拟

　　0 引 言

　　冷库作为现代物流的基础设施之一,呈快速发展的趋势。发达国家如日本、美国、芬兰、加拿大等国的制冷行业尤为完善。特别是作为世界上最大速冻食品生产国的日本,其低温库(-20e)的数量占冷库总数的80%以上[1]。自从20世纪60年代中期我国开始建造第一座冷库起,至今冷库网络遍布全国各地,主要分布在以肉类、水果、蔬菜为主产区的城市。

　　随着生活水平的提高,人们对冷冻食品的需求量和质量不断提高。但是冷库的冷冻冷藏能力越大,对能源的消耗也越大。在如今以倡导环保节能型为口号的社会中,冷库的节能问题越来越受到关注。但是冷库的设计也存在很多不合理的地方,不合理的设计导致库内气流组织的不平衡,造成能源的浪费[ 2 ] ~ [ 8 ]。比如冷库门长时间的开启,增加冷库的能耗。一般具有冰冻保鲜能力的冷库温度都在0e以下,与室外环境温度差别较大。在开关门过程中,由于室内外冷热空气的热湿、热质交换,将导致冷库大门处易于结霜,难以开启。值模拟因其具有理论性和实践性的双重特点,为现代科学中许多复杂流动和传热问题提高了一种行之有效的方法,被广泛应用于实践工程中。本论文应用CFD模拟技术分别模拟冷库在开关门各10s、20s、30s三种情况下库门附近的速度场和温度场。

　　1 物理模型及数学模型的建立

　　1.1 物理模型

　　选取唐山市某小型冷库为研究对象,该库的内部尺寸为长@宽@高=4.5m@3.3m@3.0m。采用单机吊顶式翅片管式蒸发器制冷,由于蒸发器的形状对冷库内的流场和温度场影响不大,因而将蒸发器模型简化为一长方体,该蒸发器的尺寸为长@宽@高=0.7m@0.3m@0.5m,置于冷库天花板侧面;回风口位于冷库下方,尺寸为长@宽@高=0.5m@0.3m@0.5m,送风口和回风口位置见图1;冷库外墙采用保温隔热层;冷库门位于中间,尺寸为长@高=1.2m@2.0m。将冷库视为三维模型,该模型立体结构图如图1所示。

　　1.2 数学模型

　　建立数学模型的目的在于建立反应求解问题的基本控制方程和相应的定解条件。具体地说就是建立反应问题的各个量之间的微分方程,数值模拟的基础就是建立正确合理的数学模型,脱离了这个基本点,数值模拟无从而谈。本论文模拟的开关门工况有外界动力强制库内气体流动,空气流动呈混乱无序状态,流场的雷诺数数量级大,可达到106,属于大空间强制对流换热问题。可采用工程上广泛使用的标准k-E模型求解流动及换热问题,此模型共包含的5个控制方程,分别是连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍动能k方程及湍动耗散率E方程。对于近壁处由于空气流动缓慢,呈贴壁状态,其流动有可能出现层流现象,所以对这一区域的气流采用壁面函数法处理。上述5个控制方程表述如下[9]: